Cuprins

Introducere…………………………………………………………………….... 41. Mărimi dozimetrice…………………………………………………………... 41.1. Sistemul roentgenologic……………………………………………………. 41.2. Sistemul radiobiologic……………………………………………………... 51.3. Doza letală………………………………………………………………….. 91.4. Doza fondului de radiaţii…………………………………………………… 91.5. Dozimetria radiaţiilor ionizante……………………………………………. 92. Particularităţile efectelor biologice…………………………………………... 103. Clasificarea efectelor biologice………………………………………………. 124. Fazele tipice ale evoluţiei îmbolnăvirii în urma iradierii…………………….. 135. Clasificarea efectelor biologice după natura lor……………………………… 145.1. Efecte biologice precoce…………………………………………………… 145.2. Efecte somatice târzii………………………………………………………. 175.3. Efecte genetice……………………………………………………………... 185.4. Efecte biologice teratogene………………………………………………… 19Bibliografie……………………………………………………………………… 21

3

Efecte radiobiologice asupra omuluiIntroducere

Imediat după descoperirea radiaţiilor röentgen şi apoi a radioactivităţii, s-a sesizat şi caracterul periculos al radiaţiilor ionizante, în cazul folosirii neraţionale. Pionierii roentgenografiei au cunoscut “pe propria lor piele” acţiunea radiaţiilor ionizante, iar după descoperirea radioactivităţii, primele victime au apărut în 1920, în S.U.A., în rândul muncitorilor care aplicau vopsele luminoase pe cadranele ceasornicelor. Acestora li s-au adăugat savanţii Marie Curie şi Iréne Joliot-Curie, renumiţi cercetători în domeniul radioactivităţii, care au decedat după grele suferinţe, de leucemie radioindusă. Dar, cele mai mari victime s-au înregistrat la sfârşitul celui de al doilea război mondial, în urma exploziilor celor două bombe atomice, lansate de către S.U.A., asupra Japoniei, la Hiroşima şi Nagasaki.

1. Mărimi dozimetrice

Găsirea unui sistem de mărimi şi unităţi capabili să măsoare efectele biologice provocate de acţiunea radiaţiilor ionizante asupra organismului uman este o problemă foarte dificilă. Aceasta rezidă din faptul că, spre deosebire de senzaţii, diferitele efecte radiobiologice care apar nu ajung în conştiinţa noastră, se produc cu mare întârziere în timp, iar regenerarea celulelor iradiate se face în general lent şi foarte inegal, întregul proces depinzând de natura ţesutului precum şi de starea fizică, psihică şi ereditară a organismului în cauză etc.

Pe baza unor ipoteze ştiinţifice, s-au dezvoltat în timp două sisteme de mărimi si unităţi, menite sa realizeze legături între factorul fizic activ şi efectele biologice generate: sistemul roentgenologic şi sistemul radiobiologic.

1.1. Sistemul roentgenologic

În trecut, pentru evaluarea efectelor biologice datorate radiaţiilor electromagnetice penetrante (X sau γ) cu energii până la 3 MeV, s-a utilizat sistemul roentgenologic, care se bază pe măsurarea ionizării în aer. Folosirea aerului ca mediu absorbant constituie principala deficienţă a sistemului roentgenologic, deoarece nu dă nici o indicaţie precisă relativ la ionizarea ţesutului iradiat.

Mărimea fundamentală a sistemului este doza. În cazul expunerii la radiaţii X sau γ, doza se referă la cantitatea de radiaţie măsurată prin ionizare, respectiv prin numărul de perechi de ioni produşi într-o anumită masă de aer în condiţii normale.

Unitatea de măsură a acestei doze este coulombul pe kilogram (C∙kg-1) În practică se mai utilizează temporar, ca unitate de măsură, roentgenul (R).

Roentgenul (R) reprezintă doza de expunere la radiaţii X sau γ a cărei emisie corpusculară produce în 1,293 ∙ 10-6 kg de aer uscat, ionii purtând sarcina de 1/3 ∙ 109

coulombi pentru fiecare semn:1 R = 2,57976 ∙ 10-4 C∙kg-1~258 μC∙kg-1

Valoarea 1,293 ∙ 10-6 kg se referă la masa de 1 ∙ 10-3 m3 de aer uscat în condiţii normale.

4

O încercare de înlăturare a deficientei sistemului roentgenologic a constat din introducerea unei noi unităţi de măsură, denumita rep (Roentgen Equivalent Physical), o unitate de energie absorbită masic şi nu o unitate de doza:

1 rep = 93 erg/g sau, după alţii, 1 rep = 83 erg/g.

1.2. Sistemul radiobiologic

În prezent, pentru evaluarea efectelor biologice, s-a renunţat la principiul ionizării aerului şi s-a introdus noţiunea de doza, care desemnează cantitatea de energie a radiaţiilor absorbită de un mediu. Aceasta noţiune este însoţită de un calificativ, ca de exemplu: doza absorbită, echivalent de doză, echivalent de doză efectiv, echivalent de doză efectiv angajat, echivalent de doză efectiv colectiv.

Doza absorbită (D) reprezintă energia cedată de radiaţia ionizanta unităţii de masă a ţesutului. Altfel spus, ea exprimă raportul dintre cantitatea de energie medie dĒ cedată de radiaţia ionizantă către cantitatea de masă dm a unei substanţe:

[Gy]

Unitatea dozei absorbite în SI este gray (simbol Gy), după numele unui savant britanic şi ea se exprima în Joul pe kilogram:

1 Gy = 1 J∙kg-1

În practică se folosesc submultiplii grayului, cum este microgray-ul (μGy):1 μGy = 10-6 Gy

În trecut se folosea unitatea de măsură numită rad (Radiation Absorbed Doza), care se defineşte ca doza de 100 ergi absorbită de către un gram de substanţă iradiată, sau doza de 1 ∙ 10-2 Jouli absorbită de 1 kg substanţa iradiată:

1 rad = 100 ergi ∙ g-1 = 10-2 J ∙ kg-1

Conversia între gray şi rad este data de relatiile:1 Gy = 100 rad

1 rad = 0,01 Gy ~ 1cGyDeoarece doze absorbite egale de diferite tipuri de radiaţii nu dau efecte biologice

egale, s-a introdus o noua mărime fizica numită echivalentul dozei.Echivalentul dozei (H) se referă la doza absorbită ponderată în funcţie de

periculozitatea fiecărui tip de radiaţie, reprezentând produsul dintre doza absorbita (D) şi factorul de calitate (Q), care ţine cont de eficacitatea radiaţiei de a produce efecte reale:

H = D ∙ Q ∙ N [Sv]N – este un alt factor de corecţie, care în mod curent are valoarea 1.

Unitatea de măsura a echivalentului de doza în SI este sievert (simbol Sv) după numele unui savant suedez şi ea se exprima în Joul pe kilogram:

1 Sv = 1 J ∙ kg-1

În mod curent se folosesc submultiplii sievertului, cum ar fi milisievert-ul (mSv) şi microsievert-ul (μSv):

1 mSv = 10-3 Sv1 μSv = 10-6 Sv

5

În trecut s-a utilizat ca unitate de măsură a dozei biologice, rem-ul (Rad Equivalent Man):

1 rem = 10-4 j∙ kg-1 = 10-2 Sv1 Sv = 100 rem

Pentru a avea o idee despre ceea ce înseamnă o doza de 1 μSv, se arată ca ea corespunde cu 1/20 din doza medie primită la o radiografie pulmonară sau cu diferenţa de doza primită de la radiaţia cosmică prin mutarea de la etajul întâi la al şaptelea. De asemenea, ea corespunde cu 1/10 din doza primita în cursul unei calatorii cu un avion cu reacţie pe distanta Londra-Madrid.

Factorul de calitate (Q) ponderează doza absorbita (D) în funcţie de echivalentul de doza (H) şi tine cont de faptul că la energii egale comunicate unui organism, efectele biologice variază după natura radiaţiilor.

Factorul de calitate în funcţie de transferul liniar de energie, în apa*)

Tabelul 1.1.Transferul liniar de energie ( ) în apa [keV/μm]

<<3,5 7 23 53 175>>

Factorul de calitate, Q 1 2 5 10 20*) După publicaţia 26 din 1977 a CIPR

În tabelul 1.1 se dau valorile factorului de calitate pentru diferite valori ale transferului de energie în apa, iar în fig. 1.1 se prezintă variaţia factorului de calitate în funcţie de transferul liniar de energie în apă.

Fig. 1.1. Valorile interpolate ale lui Q în funcţie de în apa

Atunci când se cunoaşte valoarea factorului de calitate (Q), se poate calcula echivalentul de doza (H), în funcţie de transferul liniar de energie ( ), cu ajutorul relaţiei:

Pe baza acestei relaţii se poate calcula, în punctul de interes, valoarea factorului de calitate mediu ( ):

În tabelul 1.2. se dau valorile factorului de calitate mediu ( ) care pot fi utilizate în funcţie de diferitele tipuri de radiaţii primare, în cazul iradierii interne sau externe.

6

Valorile factorului de calitate mediu în funcţie de diferitele tipuri de radiaţii primare*) Tabelul 1.2

Tipuri de radiaţii primare prin iradiere interna şi externa

Factorul de calitate mediu,

Radiaţii X şi gamma, electroni 1Neutroni, protoni, particule cu sarcina unica şi masa de

repaus superioara unităţii de masa10

Particule alfa şi particule cu sarcina multipla 20*) După publicaţia: “Standarde de baza de radioprotecţie” a Institutului de Fizica Atomica, Bucureşti, 1991.

Transferul liniar de energie (TLE) (Linear Energy Transfer) este transferul de energie pe micron de traiectorie, urmate de particulele ionizante şi se exprima în keV/μm. El are valori variabile în funcţie de tipul radiaţiilor ionizante, fiind cu atât mai mare cu cât numărul de ionizări pe unitate de lungime este mai mare.

Echivalentul dozei are importantă deoarece ţine cont de modul în care un anumit tip de radiaţie ionizanta îşi distribuie energia în ţesut, influenţând prin aceasta eficacitatea producerii de efecte biologice reale.

Se poate afirma că, în realitate, echivalentul dozei se manifestă ca un indicator al riscului în cazul iradierii unui anumit ţesut la diferite tipuri de radiaţii.

Luând în considerare echivalentul dozei pentru fiecare organ sau ţesut important al corpului şi înmulţindu-l cu un factor de pondere corespunzător riscului de cancer fatal asociat cu acel organ şi făcând suma ponderată a acestor echivalenţi ai dozei, se obţine echivalentul dozei efectiv (vezi tabelul 4).

Echivalentul dozei efectiv (HE) este un indicator general al riscului pentru sănătate, în cazul expunerii la orice tip de radiaţie, un echivalent al dozei ponderat în funcţie de susceptibilitatea la îmbolnăvire a diferitelor ţesuturi, fiind definit de relaţia:

[Sv]

în care HT este valoarea medie a echivalentului dozei în ţesut (T), iar WT – este un factor de pondere denumit şi coeficient de risc, reprezentând proporţia din detrimentul total datorat efectelor biologice stochastice (efecte somatice târzii, fără prag), la iradierea uniforma a întregului corp. Valorile coeficienţilor de risc sunt prezentate în tabelul 1.3, publicate de Comisia Internaţionala de Protecţie Radiobiologica (CIPR) în 1977. Pentru fiecare din celelalte organe sau ţesuturi din organism necuprinse în tabel, cum este ficatul, se acordă câte un coeficient egal cu 0,06. Echivalentele de doza primite de mâini, antebraţe, picioare, glezne, piele şi cristalin nu se iau in calculul echivalentului de doza efectiv.Ponderile factorilor de risc*)

Tabelul 1.3.Ţesutul sau organul Factorul de risc

7

WT

Gonade (testicule, ovare) 0,25Piept (sâni) 0,15

Măduva osoasă 0,12Plămâni 0,12Tiroida 0,03

Suprafaţa oaselor 0,03Restul organismului 0,03

Tot corpul 1,00*) După publicaţia 26 din 1977 a CIPR

În tabelul 1.4 se dă un exemplu de calcul a echivalentului de doza efectiv primită uniform de întreg organismul, în cazul iradierii mai multor ţesuturi şi organe (gonade, plămâni, tiroida, suprafaţa oaselor şi ficat) cu diferite echivalente de doza (H), în funcţie de factorii de pondere (Wt) corespunzători acestor ţesuturi. Exemplu de calcul a echivalentului cu doza efectiv în cazul iradierii mai multor ţesuturi

cu diferite echivalente de doza Tabelul 1.4.

Ţesutul Echivalentul dozei, H [mSv]

Factorul de risc, WT Echivalentul dozei efectiv, HE [mSv]

Gonade 100 * 0,25 = 25,00Plămâni 80 * 0,12 = 9,60Tiroida 70 * 0,03 = 2,10

Suprafaţa oase 300 * 0,03 = 9,00Ficat 60 * 0,06 = 3,60

Total corp 49,30

Echivalentul dozei efectiv angajat (HE,50) se refera la doza acumulata de un individ în cursul vieţii sale (evaluată la circa 50 ani pentru lucrătorii din domeniu), prin incorporarea unică sau a mai multor izotopi, la nivelul unui organ sau ţesut dat. Această doza, care se apreciază că se acumulează pe o perioadă de 50 de ani, se calculează cu ajutorul relaţiei:

în care HE,50 este echivalentul de doza efectiv, rezultat după o incorporare timp de 50 de ani, iar t0 – momentul începerii încorporării. În cazul în care iradierea se extinde dincolo de 50 de ani, se operează cu noţiunea de doza relativ la întreaga viaţă a individului.

Echivalentul dozei efectiv colectiv (SE) este o măsură a detrimentului (prejudiciului) total al sănătăţii, provocat de o sursa de radiaţii ionizante asupra unui grup de populaţie dat. Practic, el reprezintă produsul dintre echivalentul dozei efectiv mediu (HE) caracteristic grupului dat şi numărul de persoane care primesc aceasta doza între HE

şi HE + d HE, respectiv P(HE)d HE, conform relaţiei:

8

[Sv. om]

Unităţile echivalentului dozei efectiv colective, denumita pe scurt şi doza colectiva, se exprima în sievert om (Sv om). De regula aceasta se calculează după gonade şi se ponderează în funcţie de vârstă şi de sex.

1.3. Doza letală

Doza letală (DL) este doza de radiaţii ionizante data de o cantitate minimă de substanţă radioactivă care provoacă moartea unui animal adult. Deoarece la administrarea de doze letale se observă o variaţie de răspuns individual, în practică se lucrează cu următoarele tipuri de doza letală:

- doza letală zero (DL0), doza care determină fenomene grave, dar nu letale în lotul de experienţă;

- doza letală 50 (DL50), doza minimă letală care ucide 50% din indivizii iradiaţi, respectiv unul din doi.

1.4. Doza fondului de radiaţii

Independent de voinţa sa, omul ca de altfel toate fiinţele de pe Terra sunt supuse continuu şi în orice loc, unui fond de radiaţii ionizante. Se apreciază ca la vârsta de 60 de ani, un om ar fi primit o doză de 0,05-0,1 Sv, doza care la înălţimi (în munţi) poate fi de zece ori mai mare. Sursele acestor radiaţii se găsesc în scoarţa terestră şi în toate materialele înconjurătoare, în hidrosferă (apele oceanelor, mărilor, râurilor, în apa de băut) şi în cosmos.

În scoarţa terestră ele se datoresc unor zăcăminte de minerale ce conţin uraniu, toriu şi actiniu în echilibru cu descendenţii lor din cele trei familii radioactive naturale, precum şi a unor izotopi naturali ai unor elemente, cum ar fi: 40K, 87Rb, 115In, 130Te, 138La şi alţii. Prin solubilizare, sub acţiunea agenţilor exogenici, sărurile solubile ale acestor radioelemente trec în apele de pe suprafaţa pământului, precum şi în cele subterane, în apa de băut şi a unor izvoare.

O contribuţie importantă la doza fondului de radiaţii o aduc radiaţiile cosmice, care, pe lângă iradierile directe ale mediului, provoacă în atmosfera reacţii nucleare cu azotul, generând carbon-14 şi tritiu-3, care acompaniază elementele naturale cu care se vor afla în echilibru în regnul animal şi vegetal.

În epoca modernă, aceasta doza este adesea mărită datorită utilizării tehnicii nucleare, a instalaţiilor de preparare şi producere a ei, a experienţelor cu aceasta tehnică sau în urna unor accidente şi defecţiuni întâmplătoare a acestora.

1.5. Dozimetria radiaţiilor ionizante

Măsurarea dozelor individuale de radiaţii se realizează cu ajutorul unor metode bazate pe ionizare şi metode fotografice.

Metodele bazate pe ionizare utilizează mici camere de ionizare de forma unui stilou – stilodozimetrie, ce conţin doi electrozi coaxiali. La sfârşitul iradierii se măsoară cantitatea de electricitate acumulata pe electrozi, cu ajutorul unui instrument electronic,

9

având scala gradata în unităţi de doza. În alte variante, stilodozimetrele conţin un fir de cuarţ montat direct în corpul său, constituind un minielectrometru (stilodozimetru cu citire directă) (fig. 1.2 si 1.3).

Fig. 1.2. Secţiune printr-un stilodozimetru bazat pe acumularea sarcinilor de ionizare:

1 – izolator; 2 – peretele camerei; 3 – electrodul central; 4 – capac.

Metodele fotografice, bazate pe efectul de înnegrire a emulsiilor fotosensibile sub acţiunea radiaţiilor, utilizează pentru măsurare fotodozimetre. Experimental, un fotodozimetru este constituit dintr-o pelicula fotosensibila învelită în hârtie neagră şi montata într-o casetă de plastic. După developare se determina densitatea de înnegrire a peliculelor cu ajutorul unor fotometre sau densitometre etalonate în unităţi de doză.

Fig. 1.3. Secţiune printr-un stillodozimetru cu fir:1 – fir de cuarţ metalizat; 2 – lentila; 3 – scala; 4 – gradaţie; 5 – izolator.

Măsurarea dozelor de radiaţii în laboratoare şi unităţi nucleare, urmărind verificarea contaminării suprafeţelor ori a masurilor de protecţie, se efectuează periodic sau continuu cu aparate fixe sau portabile, folosindu-se cele mai diferite metode de înregistrare: camere de ionizare, contoare Geiger-Műller, detectoare cu scintilaţie, dozimetrie chimice etc.

2. Particularităţile efectelor biologice

Indiferent de urmările provocate de impactul radiaţiilor ionizante cu organismul viu, acţiunea biologică prezintă unele particularităţi şi anume:

- organismul omenesc nu este dotat cu un organ de simt care sa sesizeze prezenţa radiaţiilor ionizante, iar efectul biologic nu este vizibil în momentul iradierii;

- efectele biologice sunt cumulative şi nu au un caracter particular care să ne permită deosebirea de efectele apărute altfel decât prin iradiere;

- modificările şi simptomele evoluează lent după iradiere. Unele sunt imediate sau precoce şi apar după un răgaz care variază de la câteva ore, la câteva săptămâni. Altele sunt întârziate şi survin după mai mulţi ani (leucemia), după mai multe zeci de ani (cancerul fatal) sau pot provoca efecte genetice.

În realitate, efectele biologice produse de acţiunea radiaţiilor ionizante asupra fiinţelor, în special a omului, sunt rezultatul unei lungi serii de fenomene care se declanşează la trecerea radiaţiilor prin organismele vii. Evenimentele iniţiale, sunt ionizări şi excitări ale atomilor şi moleculelor din mediul de interacţiune de-a lungul

10

traiectoriilor particulelor ionizante. Ulterior aceste perturbări fizice antrenează reacţii fizico-chimice, urmate de reacţii chimice, generând în final efecte biologice. Schematic cronologia acestor evenimente este data în Fig. 2.1.

Fig. 2.1. Prezentarea schematică a fenomenelor declanşate deradiaţiile ionizante în mediu biologic *

3. Clasificarea efectelor biologice

În prezent efectele nocive ale radiaţiilor ionizante asupra fiinţelor, în special a omului, a descendenţilor săi şi asupra umanitarii în general se clasifica în două categorii:

11

- efecte nestochastice şi- efecte stochastice.Efectele nestochastice sunt efecte imediate (precoce), cu prag, reversibile şi

imperfect aditive. Fiind caracterizate de o relaţie de cauzalitate determinate între doza şi efect, ele apar atunci când doza primita depăşeşte o anumita valoare de prag (fig. 3.1).

Fig. 3.1. Dependenta efectului biologic de doza biologicaa – efecte stochastice fără prag; b – efecte nestochastice cu prag

Valoarea pragului pentru un anumit efect poate varia în jurul unei valori medii de la un individ la altul şi în funcţie de condiţiile de iradiere. În general, efectele nestochastice apar destul de repede în timp, fiind efecte imediate (precoce), iar vătămările provocate de ele sunt cu atât mai mari cu cât doza este mai mare.

Având caracter reversibil, există posibilitatea regenerării unor ţesuturi, iar dozele administrate într-un timp lung nu sunt perfect aditive. De aceea, pentru evitarea producerii lor, are mare importanta administrarea fracţionata a dozelor de radiaţii.

Printre efectele nestochastice se număra: leziunile nemaligne ale pielii, cataracta, hipolezia medulară care antrenează o deficienţă hematologică a vătămărilor provocate celulelor gonadelor cu repercusiuni asupra fertilităţii.

Efectele stochastice sunt întotdeauna efecte somatice târzii, fără prag, ireversibile şi aditive. Apariţia lor urmează o relaţie probabilistica doza-efect aparent la întâmplare, de unde şi numele stochastic. Altfel spus, dintr-o populaţie aflata într-o zona de radiaţii, efectele stochastice apar numai în unele cazuri individuale, aparent la întâmplare.

Printre ele se număra efectele somatice care se manifesta cu întârziere, sub forma de afecţiuni maligne (cancer) şi efecte genetice (ereditare) ce apar la descendenţi. Practic între momentul iradierii şi al apariţiei bolii maligne pot trece ani sau zeci de ani.

Fiind relaţii liniare, între frecvenţa de apariţie a efectelor stochastice şi dozelor absorbite pentru radiaţiile cu transfer liniar de energie mică, rezultă ca în aceste cazuri, la doze mici şi debite mici ale dozei, riscul pentru sănătate este proporţional cu doza administrată. În literatura de specialitate, factorul de proporţionalitate dintre frecvenţa de apariţie a acestor efecte şi doza absorbita a fost denumit factor de risc.

Dozele administrate în timp lung fiind aditive, nu are importanţă dacă doza care produce efectul respectiv a fost administrată fracţionat sau instantaneu, respectiv într-o secundă sau într-o luna.

Efectul biologic produs este ireversibil şi în prezent nu se cunosc metode de reducere a probabilităţilor de apariţie a efectelor stochastice somatice datorate unor doze deja primite.

12

Detrimentul sănătăţii. Conceptul de detriment al sănătăţii se refera la fenomenul de distrugere (vătămare) integrală a unei persoane datorită efectelor biologice ale radiaţiilor ionizante, fenomen care poate apărea după o iradiere în condiţii bine definite şi la un anumit nivel de doza.

În cazul unui efect patologic dat (i), detrimentul (Gj) la un individ (j) este exprimat de produsul între probabilitatea de apariţie a efectului (pi) şi factorul corespunzător de gravitate (g):

iar pentru un grup de persoane (P) detrimentul colectiv (G) este:

Acest concept se aplic atât asupra efectelor stochastice cât şi a celor nestochastice, în principal fiind utilizat pentru estimarea vătămărilor datorate efectelor stochastice.

Între probabilitatea de apariţie a efectelor biologice stochastice şi echivalentul de doza se stabileşte o relaţie liniară fără prag, aplicată la doze slabe. De aceea, detrimentul colectiv al sănătatii este proporţional cu echivalentul de doza efectiv colectiv. Totuşi, în mod practic, detrimentul unui grup de indivizi nu poate fi redus la o însumare a vătămărilor individuale, fapt pentru care echivalatul de doza colectivă se ia ca un partener printre altele.

4. Fazele tipice ale evoluţiei îmbolnăvirii în urma iradierii

În dinamica evoluţiei reacţiilor care au loc în urma iradierii, se pot distinge trei perioade importante: perioada primară, perioada latentă şi perioada secundară.

Reacţiile în perioada primară de acţiune a radiaţiilor ionizante se datorează a trei tipuri principale de mecanisme: mecanismul acţiunii directe, indirecte şi la distanţă.

Efectul biologic prin acţiune directă constă în transmiterea directă a energiei particulelor încărcate sau a electronilor secundari, către atomii şi moleculele substanţelor celulare. Produsul principal al acestei acţiuni sunt ioni şi atomi excitaţi de-a lungul parcursului particulei în celulă. Datorită ionizării şi excitării substanţelor prin mecanism primar se produc modificări chimice ale acestora (mecanismul acţiunii indirecte). Deoarece organismele vii au în compoziţia lor un mare procent de apă, la om ajungând până la 85% din greutatea corpului, multa vreme s-a considerat că acţiunea nocivă a radiaţiilor ionizante este cauzată de produsele de descompunere a ei şi în special de apa oxigenată, care acţionează ca agent oxidant (ipoteza acţiunii prin apa oxigenată). O ipoteza mai verosimila considera ca rolul principal în acţiunea biologica primara il au radicalii H, OH, şi O2H care apar la radioliza apei (ipoteza acţiunii prin radicali liberi). Conform acestei ipoteze, radioliza apei constituie o sursă pentru acţiunea indirectă a radiaţiei, deoarece radicalii liberi formaţi pot afecta atât cromozomii cât şi proteinele citoplasmatice.

Datorită intervenţiei sistemului nervos, a glandelor endocrine şi a transportului prin umori sau difuziune a unor substanţe rezultate în ţesuturile iradiate, efectele biologice se pot produce nu numai în organele iradiate, ci şi în cele neiradiate (mecanismul acţiunii la distanta sau al acţiunii secundare).

Perioada latentă care apare în organism, după perioada primara, se caracterizează prin faptul că fenomenele sunt atât de neînsemnate încât nu pot fi

13

descoperite, neînregistrându-se nici un fel de tulburări. Perioada latentă variază invers proporţional cu doza de radiaţii. De aceea, în cazul unor iradieri cu doze mortale, perioada latentă durează de la câteva ore la 30-40 de zile, iar în doze fracţionate mici, ea durează mai mult de un an.

Perioada secundară este dominată de formarea, în celule şi ţesuturi, de substanţe toxice care conduc la intoxicarea organismului, determinând o serie de efecte biologice importante (ipoteza formarii unor substanţe toxice). Reacţiile din aceasta perioadă sunt de natură necunoscută şi, în decursul timpului, ele au fost atribuite acţiunii apei oxigenate, peroxizilor organici şi histaminei, problema fiind însă în discuţie. Cert este faptul ca, sub acţiunea radiaţiilor ionizante, apar molecule active, în primul rând în celulele din ţesuturi şi în paralel în sânge şi în limfă.

5. Clasificarea efectelor biologice după natura lor

Cel mai frecvent, efectele biologice se clasifica după natura lor în:- efecte precoce, care nu apar decât pentru doze ridicate;- efecte somatice târzii, care se manifesta după mai mulţi ani, chiar mai mulţi zeci

de ani;- efecte genetice, care privesc descendenţii; - efecte teratogene, care se refera la afectarea embrionului şi a fetusului.

5.1. Efecte biologice precoce

Efectele biologice precoce survin la puţin timp după iradiere, uneori după câteva ore sau mai puţin şi sunt efecte cu prag, fapt pentru care nu apar decât dacă doza depăşeşte un anumit nivel. Deasupra pragului ele cresc cu doza. De aceea, pentru a evita producerea lor, s-au elaborat reglementări care impun limitarea sub nivelul de prag al dozelor ce le pot primi operatorii care lucrează în medii de radiaţii ionizante. Cele mai fragile ţesuturi care suferă efecte biologice cu prag sunt: pielea, celulele formate de sânge, măduva osoasă, intestinul şi organele sexuale sau gonade.

Efectele biologice precoce în cazul iradierilor parţiale. Acestea se referă la piele, măduva osoasă şi organele genitale.

Pielea. Efectele radiobiologice ale pielii sunt foarte variabile şi ele depind de doză, de localizarea anatomică, de vârstă, de pigmentaţia tegumentului etc. În general, la doze mai mari de 10 Gy nu se observă nici o leziune gravă, dar la 25% din cazuri apare o senzaţie de căldura. La doze între 10 şi 20 Gy apar epidermite exudative, urmate după un timp de o latenta de trei săptămâni, de eritema secundară, apoi de epitelitaexudativă, după 3-6 luni făcându-se restaurarea fără recurs. În cazul unor iradieri foarte importante şi profunde, se alternează vascularizaţia şi apare ulceraţia, care necesită un tratament chirurgical.

Măduva osoasă, organul cel mai sensibil la iradierea globală, conduce limfopenia, cu atât mai repede, cu cât doza de radiaţii este mai mare.

Organele sexuale, respectiv testiculele la bărbaţi şi ovarele la femei, reacţionează diferit la iradiere.

Testiculele care se remarcă printre cele două funcţii de producătore de hormoni şi spermatozoizi, la iradiere, le este afectată numai cea de-a doua funcţie (producătoare de

14

spermatozoizi). La doze relativ mici, de 0,5 Gy, se instalează o depresiune tranzitorie şi spontan reversibila, iar la doze de circa 2 Gy apare o azoospermie şi sterilitate temporară, în jur de un an. Experienţele efectuate de americani pe deţinuţi voluntari au arătat ca în cazul iradierii testiculelor cu doze de 6 Gy, sterilitatea este temporară la om. De asemenea, supravieţuitorii dintre cei 23 pescari japonezi care au fost iradiaţi în urma exploziei experimentale a armei termonucleare de la Bikini, în 1954, şi care se estimează ca au primit doze de 3 - 6,6 Gy, după o sterilitate de 2-3ani, au avut copii normali (în total 45 copii).

- Ovarele, comparativ cu testiculele, au o sensibilitate mai mică faţă de radiaţiile ionizante, aceasta fiind influenţată şi de vârstă. Astfel, pe când la o femeie tânără în jur de 25 de ani este necesară o doza de 12-15 Gy pentru a provoca o menopauză artificială, la o femeie de peste 40 de ani este suficientă o doza de numai 7 Gy. Se menţionează ca la femei sterilitatea este însoţită de oprirea funcţiei endocrine.

Din cercetările efectuate, precum şi din constatările asupra descendenţilor celor iradiaţi în urma exploziilor atomice de la Hiroşima şi Nagasaki, a rezultat ca în urma unei iradieri puternice care a provocat sterilitatea temporară, nu s-au produs urmări genetice, prin afectarea celulelor sexuale.

Iradierea organelor profunde. La iradieri puternice, mai ales în radioterapie sunt iradiate şi organele profunde: plămânii, inima, rinichii, tubul digestiv, ficatul, sistemul nervos central şi creierul. Dintre acestea, deosebit de sensibile sunt plămânii, care, după o doza de 25 Gy, se îmbolnăvesc de fibron pulmonar, iar după 6-12 luni urmează decesul.

Rinichii şi ficatul sunt afectaţi la doze peste 30 Gy. În cazul rinichilor, funcţionarea lor este afectată după câteva săptămâni de la iradiere, pe când vezica poate suporta doze mult mai mari. Diversele organe ale aparatului digestiv au radiosensibilităţii diferite. Cel mai radiosensibil este intestinul subţire, la care apar leziuni în urma absorbţiei unor doze sub 30 Gy. Urmează stomacul care este afectat de doze în jur de 40 Gy, cel mai rezistent fiind colonul, care reacţionează numai la doze cuprinse între 50 şi 56 Gy.

Destul de radiosensibil este şi sistemul nervos, care manifestă o fragilitate a celulelor nervoase, a vaselor sangvine şi o capacitate limitată de regenerare a ţesuturilor nervoase. La doze peste 40 Gy administrate în patru săptămâni, apare o paraplegie, care după doi ani se extinde. În ceea ce priveşte creierul, deşi modificări morfologice apar deja de la doze de 10 Gy, el poate suporta doze de circa 50 Gy, timp de 5-6 săptămâni.

Efecte biologice precoce în cazul iradierilor globale. În urma unor iradieri globale cu doze în jur de 1 Gy, care sunt fără gravitate imediată, nu se observa decât foarte discrete modificări hematologice, în ceea ce priveşte globulele albe, dar ele se regenerează rapid. În astfel de cazuri se aplica un tratament modest, fără a fi necesară spitalizarea.

La doze cuprinse între 1 şi 2 Gy, deşi semnele fizice încă lipsesc, se observă o scădere a globulelor albe şi a plachetelor, iar numărul globulelor roşii este modest. În acest caz sunt necesare transfuzii şi tratament antibiotic. Din contra, la doze de peste 2Gy, se observă o evoluţie stereotipa a bolii, cu afectarea celulelor formatoare de sânge şi scăderea corespunzătoare a numărului maxim de elemente reprezentative din sânge. Evoluţia îmbolnăvirii se face urmând cele patru faze tipice: După o perioadă de debut care durează trei zile, însoţită de simptome discrete, urmează de perioada latentă, practic

15

silenţioasă, care durează peste trei săptămâni. În continuare, se instalează perioada de stare (perioada critica), căreia i se asociază semne generale cum sunt oboseală intensă, tulburări digestive, hemoragii şi infecţii, formula sangvina fiind foarte modificata. În acest moment, viaţa bolnavului este în pericol. Abia după circa trei luni, el intră în coalescenţă. În acest caz, spitalizarea este indispensabilă într-un centru specializat, cu locuri sterilizate, repaus absolut şi eliminarea posibilităţilor de infectare. În cadrul tratamentului se recomanda grefe de măduva osoasă. La doze mai mari, grefa cu măduva osoasă poate fi singura şansă, iar la doza peste 12 Gy, de iradiere instantanee, orice tratament terapeutic nu este eficace.

Efecte biologice precoce în cazul iradierilor accidentale. În ultimele decenii s-au înmulţit numărul iradierilor accidentale. Principal, ele pot fi clasificate în iradieri implicând una sau mai multe persoane, ori a unor grupuri mari de persoane.

Iradieri accidentale implicând una sau mai multe persoane. Până în anul 1965 au fost înregistrate 12 astfel de accidente critice în lume, în care persoane au fost expuse global în cursul unor cercetări sau operaţii chimice, dintre care au rezultat 9 decese.

De asemenea, se cunosc 24 accidente cu surse gamografice, dintre care 15 accidente cu 192Ir şi 9 accidente cu 60Co, din care au rezultat 17 morţi şi 38 grav iradiaţi. În ultimii 40 de ani au avut loc 115 cazuri de iradieri locale, care au făcut 156 victime. Principalele cauze se datoresc: instalaţiilor de radiaţii X pentru analiza cristalografica (69), surselor de gamografice cu 192Ir (34), 60Co (25), imitatori β-activi (11), acceleratori de particule (8) şi diverse surse (8). Iradierile interne sunt mai rare şi mai greu de cunoscut. În Franţa sunt cunoscute numai o zecime din decese: 7 sunt imputabile activităţii medicale.

Iradieri accidentale a unor grupuri mari de persoane. Iradierile simultane asupra unui număr ridicat de persoane au fost înregistrate în urma unor experienţe cu arme termonucleare sau a unor defecţiuni survenite în funcţionarea unor centrale atomoelectrice.

Explozia experimentala a armei termonucleare de la Bikini, de la 1 martie 1954, a provocat printre altele şi iradierea puternica, prin căderi de pulberi radioactive, a locuitorilor de pe Insula Marschall precum şi a 23 de pescari marinari de pe vasul japonez “Fukuriu Maru”.

Recent prin defectarea centralei atomoelectrice de la Cernobal (Ucraina) din aprilie 1986, au fost iradiate 22 persoane cu doze peste 8 Gy, 22 persoane cu doze între 4 şi 8 Gy, 53 persoane cu doze între 2 şi 4 Gy şi 203 persoane cu doze peste 1 Gy, fiind înregistrate 31 decese.

16

Fig. 5.1. Centrala atomoelectrică de la Cernobal (Ucraina)

5.2. Efecte somatice târzii

Efectele somatice târzii, în general, sunt fără prag. Ele pot fi necancerigene (cataracte, tulburări ale creşterii, scăderea longevităţii şi a unor reacţii imunologice), însă principalul efect întârziat este cancerul, care apare după câţiva ani sau zeci de ani de la iradiere. Principalele efecte somatice târzii necancerigene se caracterizează prin următoarele:

Cataractele sunt boli care provoacă opacifierea cristalinului. Radiaţiile ionizante generează cataracte la doze superioare la 10 Gy de radiaţii X. Ele sunt efecte cu prag, care la bărbaţi este foarte ridicat şi apare între 1 şi 10 ani de la iradiere. În cazul neutronilor rapizi, pragul este mult mai jos ≈0,8 Gy, respectiv ≈8 Sv.

Tulburări de creştere. Constatările efectuate pe supravieţuitorii de la Hiroşima şi Nagasaki au evidenţiat ca, prin expunere la doze de 1 Gy, au loc tulburări de creştere şi anume: un deficit în greutate, o scădere a taliei şi a circumferinţei capului.

Longevitatea. De asemenea, studiile de supravieţuitori de la Hiroşima şi Nagasaki, precum şi pe animale în laborator, au arătat ca la doze ridicate (≈4 Gy) de radiaţii, se scurtează durata medie de viaţă, indiferent dacă iradierea a produs leucemie sau cancer.

Reacţiile imunologice. La iradierea cu doze de 1 Gy scad reacţiile imunologice şi organismele devin vulnerabile la infecţii.

Pielea deşi nu este radiosensibilă, se manifesta ca un organ critic, având un prag de toleranta de ≈2mGy/zi. Prin iradierea mâinilor cu doze superioare (5 mGy/zi) apar leziuni cutanate cronice, sau uscate şi atrofice, care fisurează, dând ulceraţii grave.

Cancerele, principalele efecte întârziate, se caracterizează prin faptul că nu au prag şi se produc mai ales cu doze slabe de radiaţii. Frecventa lor este influenţată de o serie de factori, printre care se număra: doza de radiaţie, natura radiaţiilor, sexul, vârsta şi natura ţesuturilor iradiate.

Dintre toţi factorii, doza de radiaţii este cel mai important, iar dintre radiaţii, particulele α şi neutronii sunt cele mai periculoase. Radiosensibilitatea organismelor este

17

diferita în funcţie de sex: ea este mai importantă la femei decât la bărbaţi, în special pentru sâni şi tiroida şi are un efect invers pentru măduva osoasă şi pulmon. Totodată, efectele diferă cu vârsta, copiii tineri, adolescenţii şi persoanele în vârsta fiind mai radiosensibile decât adulţii. Timpii de latenta sunt foarte variabili şi depind în mod esenţial de natura ţesutului iradiat. Ei sunt cuprinşi între 4 şi 20 de ani de la iradiere pentru leucemie , de 10 ani pentru tumori, 22-25 de ani pentru sâni etc. Cancerul cutanat apare la doze de circa 15 Gy radiaţii electromagnetice, între 25 şi 40 de ani. Cancerul osos apare la doze >8Gy, iar leucemia la doze >1 Sv. Cancerul sânului apare la doze de 0,20 Gy (la iradieri radiologice), iar cancerul tiroidei la 0,1 Gy la copii între 13 şi 14 ani.

Fig 5.2. Hiroşima şi Nagasaki

5.3. Efecte genetice

Alături de alţi agenţi fizico-chimici (substanţe chimice, radiaţiile electromagnetice, căldura etc.) care pot provoca efecte mutagene se află şi radiaţiile ionizante.

Dacă la doze slabe nu s-au înregistrat astfel de efecte la om, în schimb printre copiii supravieţuitorilor de la Hiroşima şi Nagasaki, iradiaţi cu doze puternice, s-au înregistrat cazuri de anomalii genetice semnificative.

Pe plan uman, singurele informaţii de care dispunem sunt descendenţii iradiaţilor de la Hiroşima şi Nagasaki şi ai pescarilor de la Bikini, dar în ambele cazuri, dozele nu sunt cunoscute cu precizie. În cazul supravieţuitorilor de la Hiroşima şi Nagasaki, deşi au prezentat forme cancerigene pentru doze ridicate (>1 Gy), nu s-au înregistrat efecte genetice. De asemenea, în cazul celor 23 marinari pescari de la Bikini, iradiati de caderile radioactive, cu excepţia unuia care a decedat, după o sterilitate de doi ani, ceilalţi au avut copii normali (45 copii), la care nu au fost observate efecte genetice aparente la prima generaţie.

În modul de evaluare a efectelor genetice se întâmplă unele dificultăţi datorate următorilor factori: caracterul particular al efectelor genetice; necesitatea extrapolării rezultatelor obţinute experimental pe animale, la om; şi de asemenea, extrapolarea rezultatelor obţinute experimental cu doze forte, la doze slabe.

18

Din investigările pe animale, s-a stabilit ca frecvenţa anomaliilor genetice se observa la doze >1 Gy. La om, anomaliile (de ex. structura cromozomilor) reprezintă un risc de 1-10 pe milion de naşteri vii, pe centiGy, iar mutaţiile genetice apar, la iradierea celor doi părinţi, cu o frecventa de 5-65 pe milion de naşteri vii, pe centiGy. După prima generaţie şi la echilibru (după 5 generaţii), frecvenţa lor este de 40-200 pe milion de naşteri vii pe centiGy, pe generaţie. Mutaţiile sunt legate de sexe, în sensul ca ele se transmit prin femei. În prima generaţie, numărul de afecţiuni adăugat este <1,3 pe milion de naşteri vii pe centiGy.

Particularităţile mutaţiilor genice. În funcţie de sex, riscul pentru femeie este mai puţin important, ca pentru bărbat. După vârsta, la femei sunt două perioade critice: principala este perioada reproducerii, de la pubertate la menopauza. A doua este până în luna a şaptea a vieţii fetale. La bărbat, perioada periculoasă se afla între 20 şi 40 ani, perioada în care se fac majoritatea fecundărilor.

Ipoteza prejudiciului genetic dat de iradierile slabe. În mod normal, o populaţie se află în echilibru genetic. Apariţia de noi mutanţi este compensată de eliminarea mutanţilor existenţi prin decese precoce, sau prin fecundări mai puţine, uneori chiar nule. În cazul unor iradieri suplimentare, acest echilibru se rupe, iar fiecărei generaţii i se vor adaugă descendenţilor, mutaţiile produse la toate generaţiile anterioare (mutaţi suplimentari). Ca urmare, se vor produce o creştere a mutaţiilor letale şi a celor dominante, precum şi o acumulare a mutaţiilor primite.

5.4. Efecte biologice teratogene

Efectele teratogene sunt anomalii şi malformaţii provocate de acţiunea unor agenţi fizici, chimici şi infecţioşi, sau a radiaţiilor ionizante asupra embrionului şi ţesuturilor pe timpul creşterii.

Sensibilitatea lor la radiaţii variază după stadiul dezvoltării embrionului, dar pragul de acţiune este foarte net mai jos decât după naştere. Efectele teratogene sunt ireversibile, iar radiaţiile ionizante produc aceleaşi efecte ca şi alţi agenţi teratogeni. Sub acţiunea radiaţiilor ionizante, în funcţie de stadiul de dezvoltare a embrionului şi a ţesuturilor, se deosebesc următoarele:

- În stadiul de preimplantare, iradierea determină fie distrugerea oului, fie moartea uneia sau a mai multor celule. Aceasta perioada adesea trece neobservată de femeie. Doza letală 50 este de 0,5-0,6 Gy.

- În stadiul de organogeneza, când femeia are consecinţe de întârziere şi bănuială ca ar fi însărcinata, o doza de 0,1 Gy poate antrena malformaţii. Aceasta este perioada critică, deoarece radiosensibilitatea este maximă.

- În stadiul fetal, frecvenţa şi gravitatea malformaţiilor se diminuează. În schimb, iradierea poate avea o acţiune cancerigenă, care se manifestă la copii tineri. Dozele egale sau inferioare la 0,25 Gy sunt considerate ca fără efect.

Cele mai importante consecinţe legate de efectele teratogene sunt:- malformaţiile, ca de exemplu cele microcefalie, care pot fi însoţite de întârzierea

mentală; - întârzierea creşterii, care are loc la doze puternice (>1 Gy), printre care se

remarcă deficitul ponderal, scăderea taliei şi a circumferinţei capului şi o întârziere a osificării;

19

- cancerul, care apare la iradieri în uter cu doze de 0,02 Gy;-mortalitatea intrauterină şi neonatală creşte. În cazul supravieţuitorilor de la

Hiroşima şi Nagasaki, ea a fost cu 40% mai mare decât cea normală; - efecte genetice nu s-au observat nici printre descendenţii celor iradiaţi în uter cu

ocazia exploziilor nucleare de la Hiroşima şi Nagasaki.Pe baza acestor observaţii, se impune luarea unor precauţii în cazul femeilor

însărcinate, care sunt expuse profesional la doze de radiaţii ionizante şi excluderea lor de la orice fel de examen radiologic.

20

Bibliografie

1. Marcu, GH., - Elemente radioactive. Poluarea mediului şi riscurile iradierii, Editura Tehnică, Bucureşti, 1996.

2. Ciplea L.I., Ciplea Al., - Poluarea mediului ambiant, Editura Tehnică, Bucureşti, 1978.

3. Gaspar E., Şerban D., - Elemente de radioprotecţie, Editura Tehnica, Bucureşti.4. Cartas V., - Curs de fizică nucleară, “Universitatea Dunărea de Jos”, 2004.

21