Effetti delle radiazioni cosmiche sull’organismo umano

Giulia Castellani AIRM

Caratteristiche delle radiazioni cosmiche

Radiazione galattica

(componente abitualmente principale)

Protoni di alta energia (85%)

Nuclei di elio (12%)

Ioni pesanti HZE (1%), sono presenti tutti gli elementi chimici

Elettroni (2%)

Sono presenti anche radiazioni secondarie costituite principalmente da neutroni

Radiazione solare

(componente abitualmente secondaria)

Vento solare L’attività solare, costituita dal

vento solare varia con un ciclo di 11 anni, raggiungendo un massimo e un minimo nella emissione del vento solare e del campo magnetico associato.

Eruzioni solari soprattutto nel periodo di

massima attività, che risultano costituite da flussi di protoni, elio e ioni pesanti che raramente raggiungono le quote dei veicoli commerciali

PROTONI

ELETTRONI

RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE

Caratteristiche delle radiazioni cosmiche

I principali elementi che concorrono a determinare l’intensità della radiazione cosmica sono in ordine di importanza:

1 altitudine (quota)

2 latitudine

Atmosfera agisce da schermo filtrante. La maggior parte delle particelle interagendo con essa dissipa parte della propria energia prima di raggiungere le quote di volo

Il campo elettromagnetico terrestre provoca la deviazione verso i poli di alcune particelle provenienti dallo spazio. Per questo la maggiore protezione si ha al livello dell’equatore e diminuisce man mano che ci si avvicina ai poli. Alla quota degli aerei di linea il livello di radiazioni ai poli è circa il doppio del livello all’equatore, alla stessa altitudine.

Personale esposto a radiazioni cosmiche

Personale aeronavigante

(Piloti e staff di cabina)

Astronauti

Personale aeronavigante

DOSE ANNUALE IN FUNZIONE DEL NUMERO DI ORE SOPRA 8 DOSE ANNUALE IN FUNZIONE DEL NUMERO DI ORE SOPRA 8 KM.(Misure ottenute con lo Stack ANPAKM.(Misure ottenute con lo Stack ANPA))

Esposizione Durata Esposizione Durata Rateo di Rateo di equivalente equivalente Dose annualeDose annuale

di dose ambientedi dose ambiente

ConcordeConcorde 11 11 μμSv/h Sv/h 3,3 mSv3,3 mSv

(300) 312 ore(300) 312 ore

Milano Milano -- Tokio Tokio 4,83 4,83 μμSv/h Sv/h 3,4 mSv3,4 mSv

(700)750 ore(700)750 ore

Voli (>6 ore) Voli (>6 ore) 3,6 3,6 μμSv/hSv/h 2,5mSv 2,5mSv

(700) 770 ore(700) 770 ore

Voli (~1 ora)Voli (~1 ora) 2,26 2,26 μμSv/h Sv/h 1,02 mS1,02 mS

(450) 700 ore(450) 700 ore

Da questi dati risulta che le esposizioni occupazionali del personale di volo della Da questi dati risulta che le esposizioni occupazionali del personale di volo della compagnia di bandiera sono tutte comprese tra 1mSv/anno e 6 mSv/anno per compagnia di bandiera sono tutte comprese tra 1mSv/anno e 6 mSv/anno per 700 ore di volo.700 ore di volo.

E’ possibile superare 6mSv/anno soltanto volando per più di 1000 ore su rotte E’ possibile superare 6mSv/anno soltanto volando per più di 1000 ore su rotte transoceaniche a latitudini elevate.transoceaniche a latitudini elevate.

Quote <8000 metri

Personale < 1 mSV

Classificato ex D.L.241/00

non radioesposto

(= popolazione generale)

Quote 8000-15000

1 mSv< Personale < 6mSV

Classificato ex D.L.241/00

radioesposto cat B.

Limite esposizione annuo 20 mSV

Astronauti

Solo parzialmente protetti dal campo elettromagnetico terrestre

Esposti a protoni, ioni ad alta energia con alta carica e massa (HZE) e radiazioni secondarie; particelle altamente penetranti tanto che solo in parte i materiali schermanti possono ridurre la dose assorbita dagli astronauti. I materiali schermanti pongono problemi di massa (non possono essere molto spessi) per il lancio della navetta

Esposti ad attività solari eccezionali (vento solare ed eruzioni solari)

Durata della missione

Missione Apollo si allontanò dalla protezione terrestre solo per 12 giorni, ma in futuro le missioni su Marte potrebbero durare fino a tre anni

Missione su Marte ogni nucleo cellulare potrebbe esser colpito da un protone o un elettrone secondario ogni pochi giorni e da uno ione ad alta energia una volta al mese Si potrebbe raggiungere una dose 1-2 mSv /giorno nello spazio interplanetario e 0.5-1 mSv sulla superficie planetaria

Adsorbed Adsorbed dose(Gydose(Gy))

Effective dose (Sv)Effective dose (Sv)

Lunar missionLunar mission

(180 giorni)(180 giorni) 0,060,06 0,170,17 Orbita MarteOrbita Marte

(600 giorni)(600 giorni) 0,370,37 1,031,03 Esplorazione MarteEsplorazione Marte

(1000 giorni)(1000 giorni) 0,420,42 1.071.07

Sulla terra i lavoratori radioesposti o i pazienti sono per lo più esposti a radiazioni a basso LET, come raggi gamma e x.

I dati epidemiologici, per lo più derivanti dai sopravvissuti alla bomba atomica Giappone ci consentono una stima del rischio da radiazioni a basso LET

Non esistono dati consolidati circa esposizione a protoni e HZE in esseri umani, pertanto la stima del rischio deve fondarsi esclusivamente su modelli sperimentali e calcoli biofisici.

Effetti delle radiazioni cosmiche sull’organismo

Effetti Targeted

I modelli radiobiologici utilizzati per quantificare gli effetti delle radiazioni ionizzanti si basano sul concetto che target sensibili, che occupano un determinato volume all’interno della cellula (tipicamente nucleo e DNA all’interno della struttura cromatinica) devono essere colpiti dalla radiazione per dar luogo ad un determinato effetto biologico

Effetti non Targeted

L’universalità della Target theory è stata messa in discussione nell’ultimo decennio da osservazioni di effetti non targeted che non richiedono l’irradiazione diretta del nucleo cellulare e sono particolarmente significativi a basse dosi ( pertanto riducono l’efficacia delle misure di radioprotezione)

A) effetto bystander

B) instabilità genomica

C) risposta adattativa

Effetti biologici delle radiazioni cosmiche sull’organismo

Effetti targeted

Induzione del danno e sua riparazione completa o incompleta

Rotture DNA singola o doppia elica, ritenute il danno genotossico critico per una serie di effetti cellulari quali aberrazioni cromosomiche, induzione di mutazioni, morte cellulare, trasformazioni oncogeniche che non riescono ad essere riparate e conducono alla morte cellulare.

Coinvolgimento dei geni implicati nella riparazione e nella trasduzione del

segnale: ATM, P53 (geni guardiani del genoma)

Fibroblasti umani esposti a raggi gamma, ioni di silicone,

e ioni di ferro.

Effetto bystander Risposte biologiche osservate in cellule non irradiate quando cellule vicine

vengono colpite da radiazioni. Alla base ci sarebbe comunicazione spaziale (mediata da molecole la cui natura non è ancora totalmente individuata) tra cellule irradiate e non, attraverso gap junctions e/o terreno di coltura

Instabilità genomica insorgenza di nuove alterazioni genetiche nella progenie di cellule sopravvissute

all’irradiazione che non mostrano tali alterazioni

Risposta adattativa cambiamento di suscettibilità (generalmente in senso protettivo) ad una

determinata dose di radiazione quando la cellula è stata precedentemente esposta ad una o più dosi molto piccole della stessa radiazione

Effetti non targeted

Danni tissutali non associati al danno del Dna Rimodellamento matrice extracellulare Modulazione dell’angiogenesi Infiammazione persistente Danno ossidativo Fattori implicati nella risposta tissutale: TGFβ , ROS, NOS

Alcuni studi sulla esposizione a radiazioni cosmiche indagano

sull’accelerazione di rischi non cancro che avvengono nell’invecchiamento, in particolare:

Cataratta Danno al SNC Osteopenia

Studi su personale aeronavigante (premesse)

Piloti e staff di cabina hanno particolarità

che li rendono differenti dal resto della popolazione:

Esposti ad altri agenti possibili cancerogeni: fumi di oli di combustione motori, alterazioni del ritmo circadiano

Bassa prevalenza di fumo, obesità e altri fattori di rischio cardiovascolare (effetto lavoratore sano)

Esposizioni a basse dosi dose annue stimate 2-5 msv .

A fine carriera dosi di 75 mSv

Studi sperimentali

condotti tramite tecniche citogenetiche e molecolari

Studi epidemiologici negli ultimi 15-20 anni si sono focalizzati su patologie neoplastiche.

Molti di questi studi sono studi di coorte retrospettivi

Studi su personale aeronavigante

Studi molecolari su personale aeronavigante

Studi condotti su personale di volo mediante tecniche citogenetiche e molecolari hanno evidenziato effetti genotossici

Ricerca condotta dal NIOSH NCI raccoglie e analizza campioni di sangue di 83 piloti di linea confrontandoli con 50 volontari residenti nella stessa città e tenendo presente fattore età e fumo e rileva nei linfociti periferici campione osservato una presenza di mutazioni di 2,6 volte superiore nei piloti con maggior numero di ore di volo.(Young et al. 2009 )

48 piloti/ contro 48 tecnici di volo su lungo raggio valutati per presenza di danno Dna studiate aberrazioni cromosomiche, micronuclei, traslocazioni con tecnica Fish rivela aumento numero delle rotture Dna (OR 7,8 IC 95%) e di traslocazioni (OR 5,1 IC 95%) (Iavicoli et al. 2002)

Rispetto alla popolazione generale minor mortalità

Rischio globale di cancro in molti studi non risulta elevato, mentre hanno mostrato elevata incidenza:

Melanoma maligno e altri cancri della pelle

Cancro mammella nelle donne

Leucemia

Cancro SNC

Studi epidemiologici su personale

aeronavigante

Melanoma e altri cancri pelle

Aumentata incidenza dei cancri pelle riportata in diversi studi

Eccesso di melanoma maligno in tutti studi pubblicati su incidenza di cancro (Pukkala et al,1995, Haldorsen 2001, Rafnsson et al., 2003)

Aumento incidenza di carcinoma squamocellulare in 3 studi (Haldorsen et al 2001, Rafnsson et al 2001; Linnersjo et al., 2003)

Metanalisi suggerisce meta SIR 2,15 per melanoma maligno e meta Sir = 1,91 per carcinoma squamocellulare nel personale aeronavigante femminile ( Buja et al 2006)

Tra personale di cabina femminile finlandese Sir

1,85 per melanoma, 2,65 per carcinoma squamocellulare e 2,46 basocellulare (Pukkala et al 2012)

Melanoma e altri cancri pelle

In studio norvegese osservato trend di aumento incidenza di melanoma con durata dell’impiego (Haldorsen et al. 2001) che potrebbe suggerire una relazione tra esposizione a radiazioni cosmiche e melanoma

Incidenze di melanoma superiore alla popolazione generale UK sia nei piloti (SIR=1,87) che nei controllori di traffico aereo (SIR 2,66). Confronto interno tra piloti e cta non mostra differenze circa incidenza di melanoma (Santos Silva et al. 2012)

Melanoma e altri cancri pelle

Devono essere considerati altri fattori:

Esposizione UV potenziale spiegazione per aumentato rischio di melanoma

(No esposizione UV all’interno dell’aereo. Esposizione a UV durante stop nei resort turistici)

Ruolo dell’alterazione ritmo circadiano induce disturbi della melatonina

Cancro mammella

Già nel 1995 Pukkala et al riportavano aumentata incidenza rischio carcinoma mammario tra personale aeronavigante femminile. Da allora molti studi hanno suggerito aumentato rischio carcinoma mammario

Metanalisi su incidenza di cancro nel personale femminile riporta SIR=1,40

(Buja et al, 2006)

Studio di corte 8507 personale di cabina femminile da Finlandia, Islanda, Norvegia, Svezia follow up medio di 23,6 anni attraverso registri nazionali dei cancri osservata aumentata incidenza (SIR 1,50 IC 95%) (Pukkala et al.2012)

Cancro mammella

Cancro mammella aumentato del 40% ma non chiara associazione con durata dell’esposizione a radiazioni cosmiche (eccesso di rischio non è spiegato dalle basse dosi ricevute)

Per contro la minor riproduttività

personale aeronavigante non sembra spiegare questo aumento

Ruolo preponderante alterazioni

ritmo circadiano (recentemente classificato da IARC cat 2a probabilmente cancerogeno x uomo) con soppressione della melatonina che ha proprietà anticancro

Cancro SNC

Aumento dei cancri SNC osservato in alcune coorti di piloti inclusa una recente analisi di coorte tedesca di 6000 piloti e 20757 staff di cabina follow up di 6 anni SIR x cancro SNC 2,1 (IC 95%) che osserva anche associazione con durata impiego (Hammer et al. 2010)

Osservato aumento maggiore di rischio per tumori SNC con aumento delle dosi, ma non statisticamente significativo

Leucemia

Metanalisi condotta da Ispesl su studi di coorte su incidenze di cancro su piloti pubblicati tra 1990 2000 rivela aumentata incidenza di LMA nei piloti ( RRc=4,63 ) conferma eccesso di uno dei tumori considerati associati a esposizione a RI

Studio Nordic airlines (coorte 8507 donne e 1559 uomini follow up 23 anni attraverso registri nazionali tumori):

SIR per leucemia 1,83 (osservati/attesi) (prevalente LMA) (Pukkala et al. 2012) ma basato su 6 casi osservati perciò non significativo

Studi su astronauti o su modelli sperimentali

I dati presenti in letteratura su studi effettuati su astronauti o su modelli sperimentali suggeriscono diversi tipi di effetti delle radiazioni cosmiche sull’organismo umano, cancerogeni e non

Modelli sperimentali

Studi su induzione di carcinoma polmonare Studi su induzione di carcinoma polmonare NASANASA haha istituitoistituito LungLung CancerCancer ConsortiumConsortium cheche sviluppasviluppa modellimodelli sperimentalisperimentali susu cellulecellule polmonaripolmonari umaneumane ee modellimodelli murinimurini xx esaminareesaminare rischiorischio didi carcinomacarcinoma polmonarepolmonare dopodopo esposizioneesposizione cheche simulasimula radiazioniradiazioni spazialispaziali (ioni(ioni HZEHZE ee protoni)protoni) (Cucinotta(Cucinotta etet al,al, 20112011)) StudiStudi susu induzioniinduzioni didi leucemialeucemia mieloidemieloide acutaacuta mortemorte delledelle cellulecellule staminalistaminali emopoieticheemopoietiche inin modellimodelli murinimurini suscettibilisuscettibili irradiatiirradiati concon particelleparticelle carichecariche.. CoinvolteCoinvolte delezionidelezioni cromosomichecromosomiche cheche includonoincludono genegene deldel fattorefattore didi trascrizionetrascrizione emopoieticaemopoietica PUPU..11.. AumentoAumento didi incidenzaincidenza mostramostra rapportorapporto dosedose effettoeffetto inversoinverso (minori(minori oo dosidosi ee dosidosi frazionatefrazionate sembranosembrano piùpiù leuchemogeneleuchemogene cheche altealte dosi)dosi) (Ulrlrich(Ulrlrich etet alal..20122012)) StudiStudi susu altrealtre alterazionialterazioni ematopoieticheematopoietiche ModelliModelli sperimentalisperimentali murinimurini CC5757BL/BL/66 espostiesposti aa radiazioneradiazione protonicaprotonica (simulando(simulando eventieventi solarisolari particellari)particellari) hannohanno mostratomostrato immunodepressioneimmunodepressione eded anomalieanomalie neinei leucociti,leucociti, eritrocitieritrociti ee piastrinepiastrine cheche potrebberopotrebbero avereavere effettieffetti avversiavversi sullasulla salutesalute. Nei modelli animali si è osservato: riattivazione di virus latenti (EB virus e varicella zoster), maggior suscettibilità alle infezioni, maggior virulenza dei microbi e aumentata resistenza agli antibiotici (Gridley et al.2008)

Studi documentano numerose aberrazioni cromosomiche negli astronauti e negli animali

da esperimento dopo voli spaziali. (Obe et al, 1997) Danni citogenetici verificati nei linfociti periferici di 16 astronauti prima e dopo missione

lunga durata 3 mesi o più; la frequenza di scambi cromosomici misurata con FISH ma sembrerebbe diminuire col tempo trascorso dal rientro (George et al, 2010)

Studi su personale di volo durante e dopo missioni rivelano diminuzione Hgb, diminuzione

sideremia, anomalie emoporfirina. Anemia frequentemente riportata durante le missioni spaziali attribuita a rapida e selettiva emolisi dei gr immaturi circolanti neocitolisi, condizione che si verifica con livelli di eritropoietina bassi (De Santo et al, 2005)

Verosimile disfunzioni piastriniche: diminuita capacità di riparare le ferite nello spazio.

(Davidson et al, 1999)

Studi su astronauti

Danno al SNC Effetti tardivi degenerativi sul cervello.

Accelerazione di disordini neurodegenerativi (Alzheimer )

Irradiazione anche a basse dosi può produrre difetti di neurogenesi e disabilità cognitva

Irradiazione con Hze produce diminuita neurogenesi, alterazioni neurochimiche e alterazioni comportamentali simili a quelli dell’invecchiamento (meccanismo coinvolto sarebbe il trasporto del glutammato principale neurotrasmettitore) (Sanchez et al, 2010)

Effetti di irradiazione con particelle ferro (56Fe) in modelli murini APP/PS1. 6 mesi dopo esposizione diminuite abilità cognitive, per neuroinfiammazione chiaro indicatori di danno al SNC (Cherry et al.2012)

Cataratta

Cataratta possibile conseguenza dell’esposizione a radiazioni cosmiche.

48 casi (16%) di opacità lente osservati in 295 astronauti del LSAH (Nasa Longitudinal Study of Astronauts Health) project. Aumentato rischio generalmente osservato dopo dosi > 8 mSv.(Cucinotta et al.2001)

Modelli in vitro indagano su meccanismo coinvolto alterazione profilo genico nel processo di differenziamento cellulare delle cellule del cristallino (Frey 2009)

cataratta indotta da radiazioni a lungo considerata patologia rara che richiedeva una dose soglia di 2GY al cristallino, (nuova dose soglia ICRP 118 0,5 Gy) , rendendo di fatto discutibile definizione di danno deterministico e stocastico)

Ciò renderebbe possibile che si sviluppi una cataratta per missioni di soli 20 giorni

Osteopenia

- Esposizione a RC può impattare negativamente integrità scheletro durante le missioni.

- Insieme al mancato carico (microgravità spazio) che di per sé induce riassorbimento osseo le radiazioni anche a basse dosi possono indebolire osso e condurre a fratture critiche

- Meccanismi coinvolti sono: incremento attività osteoclasti, danno ai precursori osteoblasti e alla vascolarizzazione (Willey et al, 2011)

Conclusioni

Incertezze sulle conoscenze degli effetti delle radiazioni Incertezze sulle conoscenze degli effetti delle radiazioni cosmiche sono dovute alla grande differenza tra le cosmiche sono dovute alla grande differenza tra le radiazioni terrestri e le cosmicheradiazioni terrestri e le cosmiche

Occorre migliore conoscenza dei meccanismi biologici con i Occorre migliore conoscenza dei meccanismi biologici con i quali agiscono quali agiscono

gli effetti sull’organismo delle radiazioni cosmiche sono in gli effetti sull’organismo delle radiazioni cosmiche sono in

gran parte ancora da esploraregran parte ancora da esplorare

GrazieGrazie