Cap3 Distinzione degli effetti sul sistema biologico

Effetti termici e non termici: definizioni e distinzioni.
Si possono dividere gli effetti dell’interazione bioelettromagnetica sul sistema biologico in  termici e non termici ; sono del primo tipo quegli effetti che provocano aumento generale o localizzato della temperatura oppure l’intervento del sistema di termoregolazione. Con riferimento agli effetti termici si cerca di capire in che maniera è possibile avere, dal punto di vista fisico, una deposizione di energia sul corpo biologico in modo da avere un riscaldamento (fenomeno fisico rilevabile macroscopicamente). L’obiettivo diviene quindi quello di collegare ciò che avviene a livello molecolare con ciò che avviene a livello macroscopico. Applicando un segnale elettromagnetico, una generica molecola tende a seguire la variazione di direzione del campo elettromagnetico ed è quindi obbligata a muoversi in maniera non casuale. Questo comportamento è caratteristico della molecola solo fino a determinate frequenze; ad una certa frequenza si avrà, infatti, una situazione nella quale alcune molecole riusciranno ancora a seguire le variazioni del campo ed altre no. Si determinerà, perciò, un fenomeno di attrito tra le molecole ferme e le molecole in movimento; le particelle che si muovono prendono energia dall’esterno e la cedono alle particelle ferme e, se il sistema non cede energia all’ambiente circostante, si ha  un aumento dell’energia dissipata con un aumento globale della temperatura.
Questo è proprio il legame al quale si era interessati  tra effetto termico fisico esterno e azione fisica interna. Il tasso di deposizione di energia all’interno del sistema sarà funzione delle caratteristiche del materiale, oltre che del segnale incidente e delle modalità di interazione.
In conclusione, gli effetti di tipo termico sono abbastanza noti, partendo dall’azione a livello microscopico  si risale ad una descrizione macroscopica delle proprietà elettriche delle cellule, delle macromolecole e dei tessuti (la descrizione macroscopica si ridurrà, fondamentalmente, allo studio delle caratteristiche della costante dielettrica e) arrivando a determinare il campo interno alla struttura (Eint) . Dopo aver calcolato Eint  si determina la potenza depositata all’ interno del materiale e si definisce infine un tasso temporale di assorbimento di energia per unità di volume (SAR); l’effetto di tipo termico  sul corpo è causato proprio da questa cessione di potenza (Tabella 3). E’ così dimostrato che la catena per arrivare dall’applicazione del campo all’effetto termico è conosciuta (è un problema di elettromagnetismo nel quale i tessuti biologici sono caratterizzati dalla loro costante dielettrica e).
Passando adesso agli effetti non termici questi sono documentati a livello di coltura cellulare, di cellula (membrana / nucleo) e a livello molecolare. La cellula è una struttura piuttosto complicata capace di percepire azioni o disturbi esterni ed è in grado di reagire; una cellula perturbata è, in un certo senso, in grado di "difendersi" scambiando continuamente informazioni di tipo chimico ed elettrico con l’esterno. Gli effetti che si riscontrano a questo livello sono: risonanze molecolari, alterazioni dei potenziali di membrana (potenziale DC, alterazione frequenza di firing), aberrazione del DNA e riattivazione delle cellule quiescenti (cellule a riposo che, sotto l’azione del campo, sono spinte a riprodursi). I parametri fisici di interesse sono le forze e le coppie sulle cariche (ioni ed elettroni) e sulle molecole dipolari (permanenti o indotti). (Tabella 3)
Dal livello microscopico, nel quale si osserva un effetto locale,  si dovrebbe poi passare ad uno macroscopico (tessuto), mediante una serie di processi biologici (trasmissione, integrazione, trasformazione); il completamento di questo percorso è, però, un processo complesso e spesso irresolubile. Recentemente effetti non termici sono stati osservati ed alcuni usati nella pratica clinica; non esiste, però, un legame ben definito fra meccanismo biofisico ed effetto riscontrato. Potrebbe esserci, per esempio, un legame tra la lunga esposizione a campi ELF e l’elevata incidenza di tumori in alcune categorie di persone, ma non esiste un modello che, dal fenomeno di interazione microscopica, possa spiegare teoricamente l’effetto osservato (così come avviene, invece, per gli effetti termici). E’ chiaro allora che, se il campo agisce sulla cellula e il fenomeno viene trasmesso o trasformato in qualcos’altro, risulta difficile, una volta osservato un effetto ben preciso, tornare indietro: si dovrebbe conoscere approfonditamente quello che avviene nella cellula ma, per il momento, questo non è alla portata dei biologi. E’, quindi, proprio la difficoltà di collegare tutti gli anelli della catena causa-effetto a rendere lo studio degli effetti non termici più complesso di quello degli effetti termici.
Anche per gli effetti non termici bisogna considerare dei fenomeni cumulativi: le cellule sono sollecitate da quelle vicine (effetti ripetitivi).
Per schematizzare la differenza tra effetti termici e non termici si introduce la Tabella 3:
 
TABELLA 3
  LIVELLO                                                    CLASSIFICAZIONE

 
                                                    TERMICO                                        NON TERMICO
 
 
Parametri
Effetti
Parametri
Effetti
Molecola
P (vettore di polarizzazione)
Spostamento ionico, polarizzabilità
t,k (parametri cinetici)
Polarizzabilità, legame a Ligando, trasporto di ioni
Cellula
Microdosimetria
Polarizzazione Drift losses
Processi di modellamento
Alterazioni delle funzioni biologiche
Tessuto
e (costante dielettrica)
Polarizzazione macroscopica e Drift losses
Parametri biochimici
Alterazione delle comunicazioni, mitosi cellulare
Organo
SAR
Riscaldamento
Parametri fisiologici
Alterazioni funzionali( per esempio variazioni del sistema immunitario)
Organismo
DT
Termoregolazione
Terapia di cura
Ricostruzione ossea, cancro
 

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Dosimetria Se si considera un materiale biologico sottoposto ad un campo elettromagnetico esterno e si riesaminano le considerazioni fatte a proposito degli effetti termici sui materiali si comprende l’importanza di sapere quanto campo viene depositato all’interno del soggetto biologico; questo aspetto viene trattato dalla dosimetria. La dosimetria  permette di caratterizzare i tessuti dal punto di vista elettromagnetico; questa caratterizzazione avviene tramite la costante dielettrica e; successivamente si calcola, con metodi numerici, il campo interno al materiale (per fare ciò bisogna conoscere le caratteristiche della sorgente, del soggetto e le condizioni al contorno). Una volta ottenuti i valori del campo interno, si presenta il problema di determinare un livello per il quale le radiazioni incidenti diventano nocive per il  soggetto esposto.
La sorgente viene caratterizzata dal tipo (ad esempio antenne isotropa o direttiva), dalla forma (antenne a stilo, a parabola), dalle dimensioni e dalla frequenza di trasmissione.

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Regione di interazione: distinzione tra campo vicino e campo lontano.
Un altro aspetto fondamentale da considerare è la zona di interazione : vi è, cioè, la distinzione tra campo vicino e campo lontano che rende la trattazione del problema elettromagnetico nettamente diversa:
 
Regione di interazione 
Campo lontano
Campo vicino
non c'è accoppiamento tra sorgente e soggetto
abbiamo fenomeni di accoppiamento
 

Nel caso di campo vicino, la sorgente, interagendo col corpo, cambia le sue capacità radiative (risente della presenza del corpo): da un punto di vista matematico ciò vuol dire cambiare le condizioni al contorno e, quindi, la soluzione del problema. L’approssimazione di campo vicino si applica, ad esempio, per i telefonini o le saldatrici a microonde mentre quella di campo lontano può essere applicata ai trasmettitori televisivi.
Le caratteristiche dell’interazione variano anche a seconda della struttura irradiata ; in questo ambito diviene rilevante il problema che si presenta quando bisogna  trasferire le informazioni ricavate dagli esperimenti di laboratorio effettuati su animali all’uomo; tutto ciò risulta difficile poiché intervengono fattori biologici e fattori di scala.
Un ultimo aspetto da considerare, per la soluzione del problema elettromagnetico, è la differenza tra l’esposizione al campo esterno di tutto il soggetto o solo di una sua parte.

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