Il DNA: il principale bersaglio delle radiazioni. Gli effetti sulle cellule, sui tessuti e sull’organismo
Il DNA è una delle molecole più note della scienza, depositaria di tutte le informazioni necessarie alle cellule per vivere, riprodursi e svolgere le proprie mansioni. Gli effetti delle radiazioni su questa cellula così complessa possono essere disastrosi.
È una molecola biologica formata dall’intreccio di due filamenti di nucleotidi che formano una doppia elica o, se preferite, una scala a pioli. Le materie prime della molecola più preziosa della vita sono, da una parte, uno zucchero (deossiribosio) e una molecola di fosfato, che ne costituiscono l’impalcatura e, dall’altra, quattro basi azotate. Queste ultime sono, com’è noto, Adenina, Timina, Citosina e Guanina.
Ciascun nucleotide è formato da tutte e tre le componenti ed è fortemente legato al nucleotide che lo segue e a quello che lo precede con il tramite del fosfato (legame fosfodiesterico). Ogni base azotata sporge dal proprio nucleotide verso la base azotata del filamento speculare, al pari del dentino di una zip.
Le basi azotate si incastrano secondo un’invariabile (o quasi) legge di complementarità: Adenina-Timina (AT), Citosina-Guanina (CG). In altre parole, a poco a poco la zip si chiude. Così con sole quattro lettere, le basi azotate, la natura è stata in grado di codificare, di criptare in pochissimo spazio tutte le informazioni necessarie alla vita per nascere, diffondersi ed evolversi, dando origine alla straordinaria diversità esistenziale di cui siamo testimoni.
“Nucleare: dall’atomo alla PET”
N. 2
Questo è il secondo numero della Rubrica di Area dal titolo “Nucleare: dall’atomo alla PET”, appartenente alla Macroarea di Scienze
Le radiazioni: gli effetti sul DNA
La molecola di DNA è tenuta insieme, come ogni altra molecola, da dei legami chimici di diversa natura: covalenti (come il legame fosfodiesterico che tiene insieme lo scheletro zucchero-fosfato della doppia elica) o a idrogeno (come quelli che tengono insieme le basi azotate).
Le radiazioni possono causare direttamente o indirettamente un danno alla struttura del DNA, inducendo delle mutazioni potenzialmente cancerogene o addirittura fatali per la cellula.
Le radiazioni possono causare:
- Un’interruzione di uno o entrambi i filamenti della doppia elica di DNA;
- Un danno alle basi azotate che possa convertirne l’una nell’altra;
- La formazione di un doppio legame tra una base azotata e quella del nucleotide immediatamente successivo, interferendo con la replicazione del DNA e generando mutazioni.
Possiamo classificare le radiazioni in base alla gravità dei danni che possono arrecare e alla loro penetranza in un tessuto biologico grazie al LET (linear energy transfer).
Il LET si misura in KeV/μm e rappresenta la quantità di energia ceduta da una radiazione per unità di distanza. Più alto è il LET e più energia verrà ceduta al tessuto che la radiazione attraversa. In altri termini il danno biologico sarà elevato ma il percorso compiuto dalla radiazione nel tessuto sarà minimo, dissipando tutta la propria energia velocemente.
Le radiazioni ad alto LET (come le particelle alpha e beta o i neutroni) possono causare un’interruzione di entrambi i filamenti di DNA e hanno un’azione diretta. Interagiscono, cioè, senza molecole intermedie con il DNA, modificandolo.
Le radiazioni a basso LET (come i raggi X e γ) danneggiano il DNA indirettamente, generando dei radicali liberi a partire dall’acqua (la molecola più abbondante nel corpo umano) e in presenza di ossigeno. Questi radicali, specialmente l’ossidrile (OH), causano un’interruzione di un singolo filamento della doppia elica, o danneggiano le basi azotate.
Gli effetti dell’ossigeno nel danno da radiazioni
Sono le radiazioni a basso LET ad essere più pericolose per la salute umana perché sono anche le più penetranti. Queste, come abbiamo già anticipato, danneggiano indirettamente il DNA ingenerando dei radicali liberi a partire dall’H20.
Le radiazioni ionizzanti eccitano un elettrone di una molecola d’acqua che quindi si carica positivamente. L’elettrone libero viene incorporato da un’altra molecola di H20 neutra che si carica negativamente. Le due molecole ottenute, una positiva e una negativa, sono instabili e si dissociano in idrogeno (H) e un gruppo ossidrilico (OH).
I radicali liberi così ottenuti hanno un’emivita brevissima (10^-10 sec); il che significa che possono danneggiare solo le molecole che si trovano nelle loro immediate vicinanze.
Se però il radicale libero ossidrile si forma in presenza di ossigeno molecolare, quest’ultimo può portare alla formazione di specie radicaliche di più lunga emivita che possono quindi creare danno a distanza, come l’idroperossido o il radicale libero perossido di una molecola organica.
L’azione radiosensibilizzante dell’ossigeno viene sfruttata anche in radioterapia per aggredire le cellule neoplastiche e la sua carenza è uno dei principali motivi del fallimento della terapia.
Un tumore non è altro che una massa di cellule mutate e iperproliferanti la cui rapida crescita spesso non va di pari passo con la formazione di nuovi vasi sanguigni che possano apportare loro sostanze nutritive e ossigeno.
In questo ambiente ostile ipossico alcune cellule tumorali muoiono ma altre, più maligne, riescono a adattarsi sopravvivendo anche in carenza di ossigeno e nutrienti.
Queste regioni del tumore sono le meno aggredibili dalla radioterapia, in quanto la scarsa presenza di ossigeno non permette alle radiazioni a basso LET di danneggiare sufficientemente le cellule tumorali in modo da ucciderle.
Gli effetti delle radiazioni: mutazioni e meccanismi di riparazione
L’alternarsi secondo un preciso schema delle quattro basi azotate nel DNA rappresenta il meccanismo in virtù del quale le informazioni vengono codificate, conservate e usate all’occorrenza per regolare tutte le funzioni cellulari.
Dei cambiamenti anche minimi nella sequenza di basi azotate, in un segmento di DNA codificante per una certa informazione (gene), possono invalidare l’integrità del messaggio, con conseguenze potenzialmente disastrose.
Proprio in virtù dell’importanza della funzione del DNA e del mantenimento della sua integrità esistono dei meccanismi di riparazione molto sofisticati.
Nel caso della presenza di un errore in un segmento di un gene, delle macchine molecolari di natura proteica riconoscono il punto danneggiato. Così rimuovano la porzione malata della molecola e resintetizzano il filamento escisso, usando come guida il filamento di DNA complementare non danneggiato.
Nel caso ci fosse l’interruzione di entrambi i filamenti di DNA, per un danno nello scheletro di zucchero-fosfato, entrerebbero in azione delle ligasi che riparerebbero l’interruzione della molecola.
Una cellula il cui materiale genetico sia stato danneggiato dalle radiazioni può andare in contro a tre destini:
- I sistemi di riparazione sono efficaci e la cellula sopravvive senza ricevere danni permanenti;
- Il DNA è danneggiato in modo irreparabile: la cellula quindi o esce dal ciclo cellulare perdendo la capacità di riprodursi, oppure va in contro a una morte cellulare programmata, per evitare una trasformazione in senso neoplastico.
- Il DNA è danneggiato ma la cellula si riproduce trasmettendo le proprie mutazioni alle proprie cellule figlie. A ogni replicazione si aggiungono delle mutazioni fino a quando queste non saranno sufficienti a determinare la trasformazione neoplastica.
La morte cellulare radio-indotta può verificarsi dopo 1 o 2 mitosi (replicazione cellulari) oppure in interfase. Quest’ultimo è il periodo del ciclo cellulare in cui il DNA non è stato duplicato e la cellula non è in divisione.
Gli effetti delle radiazioni sui tessuti
Non tutte le cellule sono ugualmente sensibili agli effetti delle radiazioni.
La discriminante è rappresentata dalla forma più o meno condensata del DNA; questa molecola è molto grande e ingombrante e viene strett all’interno del nucleo cellulare sottoforma di cromatina.
La cromatina può presentarsi in forma più o meno compressa, a seconda dell’uso che ne fa la cellula. Una cellula quiescente, che non si stia duplicando, probabilmente avrà la cromatina più condensata e quindi meno accessibile a quegli enzimi che potrebbero duplicarla o trascriverla per accedere alle informazioni contenute in essa.
Una cellula più attiva, proliferante, come una cellula epiteliale, o una cellula ematopoietica (cellula staminale contenuta nel midollo e precursore delle cellule ematiche), avrà una cromatina meno condensata e quindi più accessibile agli enzimi, ma anche più esposta alle radiazioni.
I tessuti umani più esposti, quindi, sono il midollo osseo, l’epitelio gastro-intestinale, le gonadi (testicoli e ovaie), cellule embrionali, tessuto linfoide; mediamente radiosensibili sono, invece, la cute, i vasi sanguigni, i polmoni, i reni. Più protetti, invece, il sistema nervoso centrale, l’osso, il tessuto cartilagineo, il tessuto muscolare.
Danni stocastici e probabilistici
I danni indotti dalle radiazioni possono essere stocastici o deterministici: il fattore discriminante che ci permette di distinguerli è la dose.
Alte dosi di radiazioni, come quelle cui si viene esposti a seguito di incidenti nucleari, produrranno inesorabilmente degli effetti acuti sulla salute umana. La loro severità e reversibilità sarà direttamente correlata alla quantità di radiazioni assorbite.
Basse dosi, invece, potrebbero nel tempo causare dei danni alla salute degli esposti. Questi danni sono però stocastici, cioè probabilistici, non determinati. L’aumento della dose aumenta la probabilità che questi effetti si manifestino, ma non li determinano necessariamente né correlano con la loro severità. Il più comune effetto stocastico è il cancro.
I danni stocastici possono essere ulteriormente divisi in somatici e genetici.
Quelli somatici riguardano le cellule somatiche di un individuo, cioè tutte le cellule non germinali e possono riguardare solo il soggetto che ha subìto l’esposizione.
Quelli genetici, invece, interessano le cellule germinali (sprematozoii e oociti) e possono determinare mutazioni de novo che interesseranno solo la progenie e non la generazione parentale.
Quanto abbiamo detto rende conto degli effetti che disastri nucleari come quello di Chernobyl hanno avuto sulla salute pubblica: aumento nell’incidenza di tumori (in particolare leucemie e tumori solidi come il carcinoma tiroideo) e delle malformazioni fetali.
La cancerogenesi è un argomento complesso e multifattoriale in cui l’irradiazione ha un ruolo importante ma non rappresenta una condizione né necessaria né sufficiente per l’insorgenza della patologia tumorale.
Un discorso diverso è quello sulla sindrome acuta da radiazioni, il più temibile effetto delle radiazioni sul corpo umano.
Sindrome acuta da radiazioni
La sindrome acuta da radiazioni è il complesso di sintomi e segni che si associano al danno acuto degli apparati più sensibili alle radiazioni ionizzanti. All’interno di questa sindrome se ne riconducono tre più specifiche: l’ematologica, la gastrointestinale e la cerebro-vascolare.
La panirradiazione ad alte dosi provoca una cascata di citochine proinfiammatorie. Essa si manifesta con una serie di sintomi aspecifici: come astenia, nausea, vomito, diarrea, febbre, ustioni cutanee. Questi sintomi hanno una durata di circa 48 ore dopo le quali regrediscono.
A questo punto inizia una fase di latenza, in cui le condizioni cliniche sembrano migliorare. Purtroppo, però, dopo un periodo variabile da qualche ora fino a 21 giorni, a seconda della dose di radiazioni cui si è stati esposti, inizia la fase di malattia clinicamente manifesta.
Il midollo osseo, come già detto, è molto sensibile alle radiazioni perché le cellule staminali, i progenitori e i precursori ematopoietici, essendo cellule attivamente proliferanti e poco differenziate hanno una cromatina molto esposta.
La distruzione del compartimento ematopoietico porta a un’aplasia midollare, reversibile o irreversibile a seconda della dose di radiazioni. Tutti gli elementi corpuscolati del sangue del paziente crollano (pancitopenia): globuli rossi, globuli bianchi e piastrine. Questo espone l’organismo a infezioni e ad emorragie che causano anemia.
Anche l’epitelio intestinale è gravemente colpito dalle radiazioni. Gli enterociti muoiono limitando considerevolmente l’assorbimento di liquidi, macro e micronutrienti e permettendo ai batteri intestinali di entrare nel torrente circolatorio.
In ultimo il sistema nervoso centrale viene gravemente compromesso. Le radiazioni scatenano una tempesta di citochine che aumenta la produzione di radicali liberi e la permeabilità vasale. La barriera ematoencefalica (il filtro tra il sangue e il cervello) viene distrutta. Questo causa edema cerebrale e conseguente ipertensione endocranica che può esitare in convulsioni, coma e morte.
Francesco Lodoli per Questione Civile
Bibliografia
Kumar V., Abbas A.K., Aster J.C. Robbins e Contran Ed. IX 2015, Le basi patologiche delle malattie Patologia generale, Vol. 1, Edra, cap. 9.
