RADIATII ELECTROMAGNETICE

1.1. RADIATII - GENERALITATI

Radiatiile reprezinta un factor permanent al mediului inconjurator actionand atat sanogen, cat si patogen. Intra in relatie cu organismul uman sub diferite aspecte dependente in primul rand de energia purtata. In linii generale, efectele biologice sunt cu atat mai pronuntate cu cat energia radiatiei este mai mare.

Radiatiile pot fi caracterizate prin energie, frecventa si lungime de unda. Conform teoriei ondulatorii se admite ca radiatia este reprezentata de o unda transversala electromagnetica a carei viteza de propagare in vid este constanta (300.000 km/s), relatia cu lungimea de unda si frecventa fiind exprimata de formula: C = l n in care C = viteza de propagare, l = lungimea de unda si n = frecventa, de unde rezulta :

l = C / n

Din aceasta relatie reiese ca intre lungimea de unda si frecventa este un raport de proportionalitate inversa (cu cat lungimea de unda este mai mare, cu atat frecventa este mai mica, si invers).

Intre frecventa si cantitatea de energie este de asemenea o relatie exprimata de teoria lui M. Planck, care arata ca schimbul de energie dintre sistemul care emite si campul radiant are caracter discontinuu si se face in cuante (fotoni).

In intelegerea relatiei dintre energia radianta si efectul biologic intervine insa si modul specific de actiune in raport cu lungimea de unda, determinat de energia eliberata in momentul absorbtiei de tesuturi, acest efect poate avea - conform legii calitative a fotochimiei, numai radiatia absorbita. Cum din lungimea de unda se poate deduce si energia eliberata, radiatiile pot fi clasificate dupa acest criteriu rezultand si efectul biologic predominant ca in tabelul de mai jos:

Clasificarea radiatiilor dupa lungimea de unda:

Tinand cont de intensitatea efectelor produse, radiatiile pot fi grupate in doua categorii: radiatii ionizante si radiatii neionizante.

1.2. RADIATII IONIZANTE SI RADIATII NEIONIZANTE

Radiatiile ionizante sunt radiatii care au proprietatea de a ioniza materia asupra careia actioneaza, datorita energiilor mari eliberate la locul de actiune.

In aceasta grupa de radiatii sunt cuprinse atat radiatii electromagnetice formate din fotoni (radiatii X, radiatii gamma), cat si fluxuri de particule atomice. In aceasta categorie intra radiatia a formata din 2 protoni si 2 neutroni, incarcata pozitiv; radiatia b, cu incarcatura negativa; precum si fluxurile de protoni (cu incarcatura pozitiva) si fluxurile de neutroni.

Radiatia corpusculara (cu exceptia fluxurilor de neutroni care nu produc direct ionizare) are capacitate redusa de penetratie, radiatia a este retinuta de stratul cornos al pielii (patrunde doar 0,1 mm in aer si tesuturi), iar radiatia b patrunde doar in tesutul cutanat pe care il poate leza (nu depaseste obisnuit 2 cm, maxim 8 cm). Radiatiile electromagnetice au o mare capacitate de penetrare, putand strabate corpul uman retinandu-se mai mult sau mai putin in diferitele tesuturi in functie de densitatea acestora (fapt care a permis utilizarea lor in radiodiagnostic si radioterapie).

Radiatiile neionizante sunt radiatii electromagnetice care transfera la locul de absorbtie energii care nu sunt capabile a produce fenomenul de ionizare sau il produc foarte slab. Energia lor mai mica nu ramane fara efect asupra organismului uman - natura si intensitatea efectului fiind in functie tot de energie si deci si de lungimea de unda.

Principalele radiatii neionizante aflate in mod natural in mediu, dar putand rezulta si din procese artificiale, sunt radiatii ultraviolete, luminoase si infrarosii si pentru care principala sursa naturala este soarele. La acestea se mai adauga in prezent si microundele - care ridica probleme de sanatate doar in masura in care sunt emise cu intensitate mare de surse artificiale.

1.3. RADIATIILE ULTRAVIOLETE

Radiatiile ultraviolete (RUV) suni radiatii cu lungimea de unda cuprinsa intre 10 si 400 mm. In mediul de viata al omului gasim radiatii ultraviolete cu lungimea de unda cuprinsa intre 200 si 400 mm. Radiatiile cu lungimea de unda sub 200 mm nu au importanta biologica fiind absorbite rapid in aer (UV de vid).

Radiatiile ultraviolete provin atat din surse naturale, cat si din surse artificiale. Energia cuantica a acestor radiatii este insuficienta pentru a produce ionizare notabila, dar capabila de a provoca excitarea atomilor si de a produce reactii fotochimice.

Clasificarea radiatiilor ultraviolete:

Radiatiile ultraviolete se impart in mod clasic in 3 zone de lungimi de unda :

1) Zona A (UVA) intre 320-400 nm cu efect cutanat predominant pigmentogen. Ele sunt denumite si 'lumina neagra', datorita faptului ca sub actiunea lor, multe substante emit fluorescente vizibile,

2) Zona B (UVB) intre 280-320 nm cu efect predominant eritematogen asupra pielii.

3) Zona C (UVC) intre 200-280 nm care in piele se absorb in stratul cornos, insa cu puternic efect de distrugere a celulelor neprotejate - de unde actiunea intensa de distrugere a microorganismelor (UV - bactericid). Mai sunt denumite si 'radiatii germicide' fiind capabile sa distruga organismele unicelulare. Aceste radiatii componente ale razelor solare sunt, din fericire, retinute de straturile atmosferice.

1.4. SURSE DE RADIATII ELECTROMAGNETICE

1) Radiatia solara

Principala sursa de radiatii electromagnetice este soarele; la patrunderea in atmosfera, radiatia ultravioleta reprezinta 5% din radiatia solara - predominand lungimile mici de unda - pentru ca la nivelul solului sa reprezinte 1% cu predominanta lungimilor de unda mari din spectru. Retinerea principala se realizeaza in ionosfera prin interactiunea cu stratul de ozon. Orice reducere a stratului de ozon ar avea. drept rezultat un exces de radiatii ultraviolete la nivelul solului (fenomen posibil prin patrunderea unor poluanti atmosferici pana la acest nivel), cu un spectru cu energie mai mare, fapt care s-ar solda cu cresterea actiunii patogene a acestor radiatii in special cu cresterea frecventei cancerului cutanat. Gaurile de ozon detectate in prezent deasupra catorva zone au impus luarea unor masuri de combatere a poluarii si chiar de refacere a stratului de ozon.

Cantitatea de radiatii ultraviolete ajunse pe sol precum si spectrul lor au in primul rand efect sanogen. In zonele locuite cantitatea de radiatii poate fi redusa de prezenta in atmosfera a unor poluanti (in special suspensii). In locuinta cantitatea este si mai mult redusa de permeabilitatea mica a geamurilor pentru radiatia ultravioleta, fapt care face ca - in mediul urban indeosebi - sa domine riscul carentei de ultraviolete.

2) Surse artificiale

Sursele artificiale de radiatii UV sunt reprezentate de corpuri incalzite la temperaturi peste 1500-1800°C, de aparatura de sudura, de arcurile voltaice, de lampile fluorescente. Aparatele de ultraviolete utilizate pentru dezinfectie sau fototerapie se bazeaza pe descarcari electrice in gaze.

In raport cu lungimea de unda, intensitatea efectului biologic este diferita. In general, prin excitarea atomilor apar reactii biochimice, unele stimulatoare ale metabolismului, altele generand leziuni celulare, determinate de radicali activi formati in substantele de constitutie ale celulei cu eliberarea radicalilor liberi provocati de radiatiile ionizante. Efectele fotobiologice cele mai pronuntate apar la energii superioare, la 3,9 eV, ceea ce corespunde radiatiilor UVB si UVC. Efectul distructiv celular depinde de intensitatea si, in special, de lungimea de unda a radiatiei. Lungimile de unda mici provoaca cele mai intense leziuni celulare. De aceasta proprietate a radiatiilor UV depinde efectul lor bactericid, fiind cu eficacitate maxima la l = 250-280 nm,

Radiatiile UV artificiale produse de lampile de ultraviolete cu lungimea de unda de 250-280 nm se utilizeaza pentru dezinfectia aerului sau apei, a locurilor de munca din laboratoare de microbiologie, virusologie.

Efectul bactericid depinde de lungimea de unda si de doza. La lungimi de unda mari si/sau doze mici efectul poate fi doar bacteriostatic, iar la doze foarte mici se semnalizeaza chiar o stimulare a dezvoltarii bacteriilor.

Se poate face o clasificare a surselor artificiale de ultraviolete:

1) surse incandescente (becuri electrice)

2} surse cu arc - arcul eu xenon, arcul cu mercur

lampa Wood (UV cu l = 365 nm)

lampa fluorescenta

arcul de carbon (nu se mai foloseste)

3) laserul

Lampa Wood este importanta in sustinerea diagnosticului dermatologic prin identificarea unei fluorescente particulare la nivelul leziunilor. Astfel in cazul pitiriazisului versicolor apare o fluorescenta roz-coral. Coloratia verzuie marcheaza leziunile provocate de diferite specii de microspori. Fluorescenta rosie-stralucitoare poate fi observata in unele epitelioame spinocelulare, datorita acumularii la acest nivel a proto- si coproporfirinelor. Uneori aceasta fluorescentii este prezenta si in ulceratiile.cronice ale gambelor. Dintii prezinta fluorescenta rosie in porfiria entropoetica. Limba poate prezenta o asemenea fluorescenta din cauza unor bacterii producatoare .de porfirina.

Cu ajutorul luminii ultraviolete se pot confirma unele tulburari de pigmentare mai discrete, cum apar in xeroderma pigmentosum sau in boala Recklinghausen. Se poate delimita extinderea unor leziuni acromice, vitiliginoase. Se poate confirma colorarea produsa de unele medicamente (coloratia dintilor de catre tetraciclina sau a unghiilor de mepacrin).

Sursele artificiale de UVC sunt : lampile germicide cu cuart rece din salile de operatii. Aceste lampi functioneaza printr-un arc de mercur, la presiunea si temperatura de baza care emite o banda de radiatii predominant de 253,7 nm ce traverseaza un filtru de cuart. Doza care provoaca eritem are o durata de 30 secunde la 25 cm.

Rezultatele expunerii la UVC sunt: pielea nu se pigmenteaza dupa eritem; absenta arsurilor severe; radiatiile cu cuart rece pot produce un eritem si o descuamare moderata in acnee.

Inconvenient: dupa cateva secunde de actiune directa pot provoca o conjunctivita dureroasa. De aceea nu trebuie privit direct in lampa.

Sursele artificiale de UVB sunt :

1) Lampa solara cu tuburi fluorescente. Sursa este un arc de mercur cu un spectru continuu de 313 nm. Radiatiile sunt filtrate iar doza eritematoasa are o durata de 90-120 secunde de la 25 cm. Sunt cele mai accesibile lampi pentru fototerapie, actionand in zona 290-320 nm. Se folosesc Ia domiciliu sau in cabinete particulare sub forma mai multor tuburi grupate intr-un suport.

2) Tuburile de "lampi solare" : contin mercur si emit ultraviolete in spectrul luminii soarelui.

3) Lampile cu cuart cald - arcul de mercur emite un spectru discontinuu de ultraviolete in benzile de 254; 265; 297; 303; 313; 365 nm. Doza de eritem este de 30-60s/m. Surplusul poate duce la arsuri grave, de aceea se folosesc mai mult in spital.

Clasificarea surselor artificiale de UV, iradierea si aplicatiile lor

1.5. INTERACTIUNEA FOTONILOR CU MATERIA

Radiatiile electromagnetice sunt definite si ca fascicule de unitati de energie cunoscute sub denumirea de quante sau fotoni. Fotonii nu au masa si cand sunt absorbiti energia lor este transmisa materiei care i-a absorbit, ei incetand sa mai existe. Cantitatea de energie dintr-un foton este direct proportionala cu frecventa radiatiei si invers proportionala cu lungimea de unda. Energia fotonica se exprima in jouli sau k.cal.mol sau electron-volti.

Proprietatile optice ale tesuturilor determina profunzimea atinsa de radiatiile electromagnetice. Anumiti fotoni sunt absorbiti de moleculele din tesuturi. Numai aceasta radiatie absorbita poate initia raspunsuri biologice.

Acest proces evolueaza in 5 stadii:

absorbtia radiatiei de catre molecule din piele (ADN, proteine, porfirine), care devin "cromofori"

moleculele cu inalta incarcatura energetica aflate intr-o stare de excitatie, sunt transformate prin modificari chimice in "fotoprodusi"

fotoprodusii initiaza procese biochimice complexe (fluxuri ionice, refaceri enzimatice, initierea replicarii ADN)

efectele celulare produse de raspunsurile biochimice (proliferarea, mutageneza, pierderea unor markeri celulari de suprafata, toxicitatea)

efectele fotobiologice evidente clinic (eritem, imbatranire cutanata, hiperplazie, inductie tumorala)

Spectrul de actiune este spectrul de lungime de unda care necesita cel mai mic numar de fotoni pentru a produce efectul dorit.

Spectrul de absorbtie este spectrul de lungime de unda cu cea mai mare probabilitate a radiatiilor de a fi absorbite de catre o componenta.

Spectrul de actiune poate sa nu corespunda intotdeauna spectrului de absorbtie deoarece lumina poate fi absorbita de alti cromofori din tesut, poate fi reflectata sau dispersata.

1.6. TRANSMISIA RADIATIILOR PRIN TESUTUL CUTANAT

In momentul in care radiatiile solare ating suprafata cutanata ele pot reactiona in diferite moduri:

o parte din radiatii sunt reemise. Pielea blonda reemite aproximativ jumatate din radiatiile vizibile si infrarosii si foarte putin din UV mai scurte de 320 nm. Perceptia noastra asupra culorii pielii este determinata tocmai de aceasta reemitenta vizibila ; pielea alba reemite mai multa lumina decat pielea de culoare neagra.

o parte, constituind 5-10% din lumina incidenta, este reflectata de catre suprafata externa a stratului cornos depinzand de unghiul de incidenta a luminii dar si de netezimea si hidratarea pielii. Deci, se va putea aprecia asprimea pielii prin aceasta componenta de suprafata a reflectantei pielii.

o alta parte din radiatii sunt absorbite de diferitele straturi si structuri epidermice in cadrul carora absorbtia optica a sangelui, melaninei si carotenilor are o importanta deosebita pentru determinarea culorii pielii.

o foarte mica fractiune din radiatiile absorbite sunt reemise sub forma de radiatii cu lungimi de unda mai mari - fenomen de fluorescenta.

Raspunsul fotobiologic al pielii este in parte determinat de penetratia si absorbtia radiatiilor cu lungimi de unda fata de care celulele vii sunt sensibile. De interes particular sunt ultravioletele cu lungimi de unda mai mici de 320 nm care produc o gama de raspunsuri incluzand: eritemul imediat sau tardiv, depigmentarea, keratoza actinica si cancerul de piele. Radiatiile ultraviolete cu lungimi de unda mai mari de 320 nm si radiatiile sunt de asemenea de interes in prezenta chimicalelor fotosensibilizante si a fotodermatozelor.

Stratul cornos 'alb' transmite mai multe radiatii decat stratul cornos pigmentat, determinand susceptibilitatea crescuta a pielii blonde la alterarea actinica.

Scaderea curbei de transmisie prin stratul cornos in jurul lungimii de unda de 280nm este atribuita absorbtiei de catre aminoacizii aromatici ai keratinei. Spectrul de actiune eritematogen scade de asemenea in jurul a 280 nm. Stratul cornos contine componente, in afara melaninei si a proteinelor, care absorb radiatii cu lungimea de unda mai mica de 290 nm: acid urocanic, peptide mici, colesterol. Nucleoproteinele celulelor cu nucleu din stratul Malpighi de asemenea contribuie semnificativ la absorbtia in jurul a 260 nm si desi numai un mic procent din energia cu lungime de unda mai mica de 320 nm ajunge in derm, efectele biologice ale expunerilor relativ scurte sunt semnificative.

Transmisia UVA prin epidermul caucazian este de aproximativ 50% si ramane crescuta si pentru radiatii vizibile si infrarosii apropiate.

Desi eficacitatea fotobiologica a radiatiilor cu lungimea de unda mai mare de 320nm este limitata in absenta unor fotosensibilizanti, penetrarea lor mai adanca este valoroasa in fototerapie si fotochimioterapie.

APARAREA NATURALA A TESUTULUI CUTANAT IMPOTRIVA RADIATIILOR ULTRAVIOLETE

Procesul de fotoprotectie nu este cunoscut in intregime astazi. Din datele existente se stie ca fotoprotectioa este asigurata pe de o parte de stratul superficial epidermic, cornos, cu rol de bariera fizico-optica si mai ales de reteaua de melanina ce indeplineste functia de fotoprotectie biochimica si de acceptor energetic.

Stratul cornos si epidermul reprezinta primul ecran si obstacol cu rol de reflectare, de dispersie si absorbtie al razelor, dintre care numai 15% ating dermul. Sub influenta razelor UV apar radicali liberi activi in epiderm. Radicalii liberi patrund in derm si declanseaza inflamatia, prin actiunea lor asupra membranelor lizozomale si asupra metabolismului celular.

Stratul cornos cu continutul sau variabil de melanina este un element de protectie optica major al epidermului. Subtierea stratului cornos duce la scaderea pragului de arsura solara, ariile corpului cu un strat cornos mai gros (palme, talpi) sunt cele mai putin sensibile la radiatiile UV. Expunerea repetata la ultraviolete a tegumentului melanic al pacientului cu vitiligo sau al albinosilor duce la ingrosarea stratului cornos si la cresterea tolerantei la radiatiile ultraviolete, in ciuda imposibilitatii de a se bronza.

Sub influenta luminii, dupa expuneri indelungate, stratul cornos devine ingrosat iar dispersia este mai accentuata.

Exista o relatie direct proportionala Intre grosimea epidermului si capacitatea sa de fotoprotectie, ingrosarea stratului cornos dupa expunerea la ultraviolete traducand o reactie de adaptare a suprafetei epidermice.

Melanina: este in general privita ca factorul major de aparare al pielii impotriva efectelor expunerii solare, fie acute (arsura solara), fie cronice (imbatranirea pielii, cheratozele, cancerul pielii). Protectia este direct proportionala cu gradul de melanizare si este fie constitutionala (culoarea de baza este determinata genetic), fie facultativa (gradul de bronzare este ca raspuns la expunerea Ia ultraviolete).

Melanina este prezenta in epiderm in doua forme:

particulata: melanosomi. Melanina din melanosomi are o dispozitie particulara in keratinocite, formand un ecran fotoprotector al nucleului celular, al ADN-ului.

neparticulata: amorfa.

Bronzarea la un caucazian diminua cu 90% cantitatea de ultraviolete care patrunde in piele. La pielea caucaziana melanosomii sunt prezenti in stratul bazal. In stratul suprabazal si in cel granular melanosomii se degradeaza prin activitatea hidrolitica prezenta in complexele melanosomilor.

La rasele cu piele inchisa la culoare (neagra sau de tip V sau VI Fitzpatrick) totusi multi melanosomi persista in stratul cornos in forma particulata nedegradata.

Rolul fotoprotector al melaninei consta in urmatoarele proprietati:

Absorbtia radiatiilor: melanina este uneori descrisa ca un filtru neutru (un absorbant al tuturor lungimilor de unda, egal in tot spectrul). Energia radianta absorbita este disipata sub forma de caldura sau utilizata pentru oxidarea melaninei determinand pigmentare imediata.

Dispersia radiatiilor: dispersia include orice proces care determina devierea radiatiilor electromagnetice de la linia dreapta.

Caracterul stabil al radicalilor liberi: melanina, datorita capacitatii sale de a se oxida si reduce, poate actiona ca un polimer biologic schimbator de electroni pentru a minimaliza efectul fotonilor incidenti pentru alti constituenti celulari. Radicalii liberi in melanina sunt stabili si electronii nepereche par a fi limitati in anumite regiuni ale polimerului.

Deci rolul esential in fotoprotectie il are reteaua de melanina. Proprietatea de fotoprotectie a eumelaninei (un compus al melaninei) este corelata cu spectrul sau de absorbtie al radiatiilor, care incepe la 200 nanomicroni si are un maxim in zona radiatilor infrarosii. Eumelanina absoarbe radiatii si imprastie caldura. Trebuie precizat, pe de o parte, ca razele ultraviolete sunt absorbite de melanina fara formarea radicalilor liberi, iar pe de alta parte ca: acea cantitate de energie ce rezulta in urma reflectarii, dispersarii si absorbtiei radiatiilor luminoase in epiderm, care, daca ar ramane libera ar avea urmari nocive asupra tesuturilor, este captata tot de melanina.

Prin capacitatea sa de a se comporta ca un radical stabil ramas liber, avand un electron nepereche, melanina poate fixa compusii toxici care s-ar dezvolta in urma actiunii fotochimice intratisulare, indeplinind astfel rolul sau de fotoprotectie biochimica.

Acidul urocanic (acid 4-imidazolacrilic} produs in urma decarboxilarii eustidinei este prezent si in mod natural ca izomer trans. Absorbtia energiei radiante a UVC si UVB convertesc izomerul trans in izomer cis. Acidul urocanic este un puternic fotoabsorbant.

Carotenoizii: in epiderm si in tesutul adipos subcutanat se gasesc precursorii vitaminei A. Nu sunt sintetizati in organismul uman, ci se gasesc in alimente.

b-carotenul este foarte valoros la unii pacienti cu reactii anormale la UVA si la lumina vizibila (de exemplu in protoporfiria eritropoetica).