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Efectos Biológicos de las radiaciones Ionizantes.
Roldán, Teresita; Aramburu, Víctor; Leguizamón, Guillermo; Hoffmann, Conrado.
Resumen.
En este trabajo se analizarán los efectos biológicos que se
presentan en la aplicación práctica de radiaciones ionizantes.
Como primera aproximación de este trabajo, se estudiarán los
efectos biológicos que se manifiestan en este proceso haciendo
uso de lo que se conoce para casos clínicos del área de Física
médica, teniendo cuenta el rango de energías de los rayos X
resultantes.
Palabras Clave: Radiación. Daño Celular. Cromosomas.
Summar
Summaryy .
In this paper will be analized the biological effects that are
present in the practical aplication of analitic microsound of electron.
As a first aproximation of this paper, the biological effects that
are revealed in this process will be studied, doing usage of
what it is know for clinic cases in the area of Medical Physics
taking into account the range of energy of RX results.
— Ciencia, Vol. 1, Nº 1, Diciembre 2003. Página 321 —
– Roldán, T.; Aramburu, V.; Leguizamón, G.; Hoffmann, C. : Efectos biológicos de las radiaciones ionizantes –
1. Introducción.
Las radiaciones son ondas electromagnéticas o partículas atómicas
o subatómicas, agentes de transferencia de energía.
Cuando la radiación es absorbida por el medio, la energía se transfiere del haz de radiación al medio.
Los procesos de transferencia de
energía y las alteraciones resultantes en el medio son de gran interés.
El presente trabajo centra su
atención en el segundo punto:
Las radiaciones ionizantes son
capaces de producir la separación de
cargas en la materia por transferencia de energía suficiente para vencer
la energía de ligadura del electrón en
el átomo o molécula. Así pueden distinguirse dos tipos de radiaciones según posean o no carga eléctrica neta:
•
•
Directamente ionizantes: son
partículas cargadas, tales como
electrones, protones, partículas a y mesones cargados que
ionizan por medio de la fuerza
de Coulomb.
Indirectamente ionizantes: son
especies no cargadas tales como
cuantos electromagnéticos (fotones), neutrones y mesones no
cargados, que ionizan en dos
pasos, liberando partículas cargadas energéticas las cuales
ionizan también el medio.
2. LET y RBE.
La transferencia lineal de energía (LET), es la tasa de deposición
de energía a medida que una partí-
cula cargada se mueve a través de
la materia. Es una función de las
propiedades físicas de la radiación.
La radiación electromagnética X y γ ,
producen electrones rápidos de bajo
LET. Las partículas α y los neutrones tienen mayor probabilidad de interaccionar con la materia, pierden
energía rápidamente produciendo
muchas ionizaciones en una corta
distancia; son de alto LET.
Debido a esas diferencias, dosis
iguales de radiaciones de distinto LET
producirán diferente respuesta biológica.
La eficacia biológica equivalente
(RBE) es la relación entre una dosis de
la radiación de interés con una dosis
de rayos X de 250 keV, que produzca
la misma respuesta biológica.
La RBE cambiará, para el mismo tipo de radiación, según la respuesta biológica que se estudie.
3. Interacciones Básicas de la Radiación.
Los efectos biológicos de la radiación representan el esfuerzo de
los seres vivos para controlar la
energía absorbida. Al discutir los
cambios que ocurren en un material
biológico son importantes las siguientes generalizaciones:
I.
La interacción de la radiación con las células es una
función de probabilidad; puede o no interactuar; y si se
produce la interacción puede o no producirse el daño.
II. El depósito inicial de energía ocurre en un periodo de
1x10 –17 segundos.
— Ciencia, Vol. 1, Nº 1, Diciembre 2003. Página 322 —
– Roldán, T.; Aramburu, V.; Leguizamón, G.; Hoffmann, C. : Efectos biológicos de las radiaciones ionizantes –
III. La radiación no tiene una
preferencia por interactuar
en una zona determinada de
la célula.
IV. Los cambios en las células
debidos a la radiación no
son únicos y no pueden distinguirse de los producidos
por otros tipos de traumas.
V. Los cambios biológicos se
producen luego de un periodo de latencia que depende
de la dosis inicial y varía
de minutos a años.
La acción de la radiación sobre
la célula se puede clasificar en directa o indirecta según el lugar en
que se produzcan las interacciones:
i.
La acción directa ocurre
cuando una partícula ionizante es absorbida por una molécula biológica (ADN, ARN,
proteínas, enzimas). Esas macromoléculas ionizadas son
entonces anormales. La interacción directa es dominante
cuando se radia con partículas de alto LET (neutrones,
partículas a e iones pesados).
ii. La acción indirecta implica
la o absorción de radiación
por el medio en que están
suspendidas las moléculas
(agua) dando como resultado
pares de iones inestables que
se disocian en radicales libres y otros iones. Este efecto es predominante en la
irradiación con R-X y rayos γ
de baja LET. (Fig. 1).
El par de iones puede reaccionar de las siguientes formas:
a. Existe una alta probabilidad
de que se recombine sin
daño celular.
b. Pueden reaccionar químicamente dañando macromoléculas de la célula.
Los radicales libres por su parte, son muy reactivos y pueden experimentar:
a. Recombinación sin daño.
b. Unión con otros radicales libres formando moléculas
que pueden ser dañinas para
la célula.
c. Reacción con moléculas normales y macromoléculas formando estructuras nuevas
o lesionadas.
Los efectos de los radicales libres en la célula se potencian por
su capacidad para iniciar reacciones
químicas y producir así lesiones en
lugares distantes en la célula.
Debido a que en la célula hay
más agua que cualquier otro componente, es mucho más probable que se
produzcan daños por acción indirecta.
4. TTransf
ransf
erencia lineal de energía (LET)
ransferencia
y Eficacia biológica equivalente (RBE).
La transferencia lineal de energía (LET), es la tasa de deposición
de energía a medida que una partícula cargada se mueve a través de
la materia. Es una función de las
propiedades físicas de la radiación.
La radiación electromagnética y γ ,
— Ciencia, Vol. 1, Nº 1, Diciembre 2003. Página 323 —
– Roldán, T.; Aramburu, V.; Leguizamón, G.; Hoffmann, C. : Efectos biológicos de las radiaciones ionizantes –
INDIRECT
ACTION
H
OH·
O
S - A T-S
H
P
P
S -C
G- S
P
P S-T
A- S
P S - G C- SP
DIRECT
ACTION
Interacciones Básicas de la Radiación sobre la Célula: Acción directa y Acción
indirecta.
Figura 1
1.
n
n
A
Dq
0
B
0
10
10
αD
Supervivencia
D1
-1
ρD
-1
10
10
2
ALTA TLE
ALTA TLE
D0
10-2
10-2
BAJA TLE
D0
-3
10
0
4
8
12
α
β
-3
16
10
0
4
Dosis (Gy)
BAJA TLE
8
12
16
Dosis (Gy)
Figura 2. Curva de Supervivencia Celular.
En 1956, Puck y Marcus estudiaron el fallo reproductivo con células de carcinoma de cervix humano sometiéndolas a diversas dosis de radiación y contando
las colonias formadas por células irradiadas. Todos estos cálculos se expresaron gráficamente, obteniéndose la curva de supervivencia celular. En el eje de
abscisas se representan las diversas dosis en escala lineal, y en el eje de
ordenadas la fracción celular superviviente en escala logarítmica.
— Ciencia, Vol. 1, Nº 1, Diciembre 2003. Página 324 —
– Roldán, T.; Aramburu, V.; Leguizamón, G.; Hoffmann, C. : Efectos biológicos de las radiaciones ionizantes –
producen electrones rápidos de bajo
LET. Las partículas α y los neutrones tienen mayor probabilidad de interaccionar con la materia, pierden
energía rápidamente produciendo
muchas ionizaciones en una corta
distancia; son de alto LET.
Debido a esas diferencias, dosis
iguales de radiaciones de distinto LET
producirán diferente respuesta biológica.
La eficacia biológica equivalente
(RBE) es la relación entre una dosis
de la radiación de interés con una
dosis de rayos X de 250 kev, que produzca la misma respuesta biológica.
La RBE cambiará, para el mismo tipo de radiación, según la respuesta biológica que se estudie.
5. TTeoría
eoría de Impact
o.
Impacto.
En la célula existen distintos
tipos de moléculas y en distintas
cantidades. Hay moléculas claves
que se necesitan constantemente
para que la célula funcione. Si una
de esas moléculas clave sufre daño,
puede amenazar la vida de la célula. Una ionización aleatoria que ocurra cerca de una célula clave (blanco), afectándola, tendrá consecuencias más importantes que una ionización en otro lugar de la célula.
El núcleo parece ser mucho más
sensible a la radiación que el citoplasma. Lo que indica que el ADN es
el blanco más verosímil de la acción
de la radiación.
Efectos de la Radiación sobre el ADN.
Algunos daños son:
i. cambio o pérdida de una
base (A, T, C, G),
ii. ruptura del enlace de hidrógeno entre las dos cadenas de ADN,
iii. fractura del esqueleto de
una cadena,
iv. fractura del esqueleto de las
dos cadenas de una molécula de ADN,
v. f r a c t u r a y c o n s e c u e n t e
unión cruzada dentro de
una molécula o entre dos
moléculas de ADN.
Efectos de la Radiación sobre los
Cromosomas.
Los cromosomas se parten por
efecto de la radiación, dando lugar a
dos fragmentos, cada uno con un extremo partido. Esos extremos pueden
unirse con otros dando lugar a nuevos
cromosomas, los cuales pueden tener
un aspecto estructural distinto.
Los cambios estructurales importantes que se producen en los
cromosomas se llaman lesiones o
aberraciones, y se distingue entre
las aberraciones en cromosomas o
cromátidas.
Distintos tipos de aberraciones:
• Una sola ruptura en un cromosoma o cromatida.
• Una ruptura en cromosomas o
cromatidas separadas.
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•
•
Dos o más rupturas en un mismo cromosoma o cromatida.
Adhesividad de los cromosomas.
6. Consecuencias importantes para
la célula.
•
•
•
Curación sin lesión.
Pérdida de una parte del
cromosoma o cromátida.
Reagrupamiento de los genes
en el cromosoma.
7. FFact
act
ores que af
ectan a las lesioactores
afectan
nes cromosómicas:
Dosis total y tasa de dosis:
La dosis se define como la energía absorbida por unidad de masa,
mientras que la tasa de dosis es la
dosis entregada por unidad de tiempo.
El número de rupturas simples
es proporcional a la dosis, pero no
se ve afectado por la tasa de dosis,
estos resultados han conducido a la
hipótesis de que una ruptura en un
cromosoma no le hace más o menos
susceptible a una segunda.
En cambio, las aberraciones
complejas dependen de que ocurran
dos o más rupturas en el mismo cromosoma o en cromosomas distintos
con un corto intervalo de tiempo de
separación (30 a 60 minutos)
Debido a la naturaleza aleatoria de los efectos de la radiación, al
aumentar la dosis aumenta la pro-
babilidad de que un número mayor
de cromosomas sufran rupturas simples, pero no de que los mismos
sufran rupturas dobles.
Tasas de dosis bajas dan lugar
a la restitución antes de que se produzca una segunda ruptura; tasas
de dosis altas hacen los procesos de
restitución no tan eficientes.
8. LET (T
ransf
erencia Lineal de Energía).
(Transf
ransferencia
Radiaciones de bajo L.E.T producen aberraciones sencillas. Poca
probabilidad de que induzcan dos rupturas en cromosomas cercanos.
Radiaciones de alto L.E.T tienen mayor probabilidad de producir
rupturas dobles dando lugar a más
aberraciones complejas.
9. Efectos de la Radiación sobre
otros Constituyentes de la Célula.
Rupturas en cadenas de carbohidratos, cambios estructurales en
proteínas y alteraciones de la actividad de enzimas son algunos otros
efectos de la radiación. No se conocen bien las implicaciones de esos
daños en la célula.
También se ha observado la alteración de la permeabilidad de la
membrana celular, lo cual altera la
función de transporte de la misma y
puede afectar a los orgánulos celulares limitados por membranas, como
mitocondrias y lisosomas.
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– Roldán, T.; Aramburu, V.; Leguizamón, G.; Hoffmann, C. : Efectos biológicos de las radiaciones ionizantes –
10. Radiosensibilidad.
Ley de Bergonie y Tribondeau.
Bergonie y Tribondeau a través
de diversos experimentos con roedores llegaron a formular que: “La Radiación Ionizante es más eficaz sobre
las células que son activamente mitóticas, no están diferenciadas y tienen por
delante un largo futuro de divisiones”
(sensibilidad inherente).
11. Respuesta Celular a la Radiación.
Ante la agresión que constituye
una irradiación, la célula presenta una
serie de respuestas, entre las cuales
destacaremos las más importantes:
1. Muerte en interfase:
Se corresponde a una lisis celular. Está relacionada con una disminución en la capacidad de producción
de energía por parte de las mitocondrias celulares o a la lesión de las
membranas plasmáticas o de las organelas celulares (lisosomas). Puede ocurrir en cualquier célula, pero es más
frecuente en las más radiosensibles.
2. Retraso mitótico:
Con la irradiación se provoca un
retraso en la entrada de las células
en mitosis, es decir, el índice mitótico (cociente entre el número de
células que están en mitosis y el
número total de células) disminuye.
En condiciones normales el índice mitótico permanece constante.
La irradiación perturba ese cociente:
las células que están en la mitosis
terminan la división pero las a punto
de empezar la mitosis se retrasan en
G2, con lo cual el índice baja.
Si la dosis es baja, las células
se recuperan del retraso, se produce un período de sobrecarga mitótica y posteriormente se vuelve a los
valores normales.
A medida que la dosis aumenta, aumenta la duración y valor absoluto del retraso mitótico y aumenta la sobrecarga.
Para dosis altas, después del
retraso el índice mitótico no se restituye sino queda por debajo, las células mueren después de dividirse
(fallo reproductivo).
Para dosis aún mayores aumenta mucho la duración del retraso y
no se produce la sobrecarga mitótica
(muerte en interfase).
La causa del retraso mitótico
es desconocida.
3. Fallo reproductivo:
Es la pérdida de la capacidad de
división, es decir, que la célula está
radiobiológicamente muerta. Esta respuesta a la radiación se relaciona
con las lesiones cromosómicas.
12. Curva de Supervivencia Celular:
En 1956, Puck y Marcus estudiaron el fallo reproductivo con células
de carcinoma de cervix humano sometiéndolas a diversas dosis de radiación y contando las colonias formadas por células irradiadas. Todos
estos cálculos se expresaron gráficamente, obteniéndose la curva de su-
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pervivencia celular. En el eje de abscisas se representan las diversas dosis en escala lineal, y en el eje de
ordenadas la fracción celular superviviente en escala logarítmica (Fig. 2).
Dado que el daño radioinducido
constituye un hecho al azar, la muerte celular se aproximará a una función exponencial de la dosis.
13. Factores Modificadores de la Radiosensibilidad.
Existen una serie de factores
externos que modifican la curva de
supervivencia celular, es decir, que
afectan la radiosensibilidad condicional. Estos factores pueden clasificarse en tres grupos: físicos, químicos y biológicos.
2. Factores Químicos:
a.
Radiosensibilizadores: productos
químicos que aumentan el efecto letal celular de una dosis dada
de radiación. El principal es el
oxígeno; su acción es más eficaz
cuando se administra simultáneamente con la radiación. La
concentración de oxígeno se
mide por la presión que ejerce
(Tensión de oxígeno).
b.
Radioprotectores: Cuando se
administra uno de estos compuestos se necesita una dosis
mayor para producir la misma
respuesta. Deben estar presentes en el momento de la irradiación para que sean efectivos. Estos agentes protegen compartiendo los radicales libres
producidos por la radiación o
restaurando las células cediéndoles un átomo de hidrógeno a
las moléculas ionizadas.
1. Factores Físicos:
a.
b.
LET y RBE: La irradiación del
mismo sistema biológico con radiación de distinta LET producirá: para radiaciones de baja LET,
escasas ionizaciones separadas
por distancias largas, mientras
que para alta LET, ionizaciones
densas en una distancia corta.
Tasa de dosis: Tasas de dosis
bajas son menos eficaces en
cuanto a la producción de lesiones, debido a que permiten
que se produzca la reparación
antes de que se haya acumulado el daño suficiente para causar la muerte de la célula. En
las radiaciones de alta LET no
influye la tasa de dosis.
3. Factores Biológicos:
a.
Ciclo celular: las células son
más radiosensibles cuando al ser
irradiadas se encuentran en la
mitosis, siendo más resistentes
durante la síntesis del ADN.
b.
Reparación intracelular: Cuando
se administra la misma dosis total
en fracciones separadas por cierto tiempo el número de células
supervivientes aumenta al aumentar el tiempo que separa las fracciones. Las células que sobreviven a la primera fracción de dosis responden a la segunda como
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si no hubieran sido irradiadas.
La capacidad de recuperarse de
los daños subletales parece llevar 24 horas de postirradiación.
La ausencia de oxígeno entorpece
la capacidad de las células para
reparar las lesiones subletales.
14. Conclusión.
Las aplicaciones de las radiaciones ionizantes a las más diversas actividades biomédicas, industriales y de
investigación en continua expansión,
justifican un mayor conocimiento de
los efectos radiobiológicos en el hombre y en el ambiente que lo rodea.
Los informes estadísticos de los
Organismos Internacionales especia-
lizados indican el aumento del número de exámenes radiológicos, médicos y odontológicos así como un
mayor empleo de los radiofármacos
para diagnóstico y tratamiento.
El efecto de las radiaciones sobre
las células puede ser letal o subletal.
El citoplasma es radioresistente, el
núcleo radiosensible observándose aberraciones cromosómicas. La lesión del
ADN induce mutaciones. Cuando esta
alteración afecta las células germinales se transmite a la descendencia
con carácter recesivo. No existe umbral para el daño genético.
Las células sobrevivientes al daño
subletal pueden experimentar la transformación neoplásica. Este efecto sin umbral aumenta con la dosis de radiación.
— Ciencia, Vol. 1, Nº 1, Diciembre 2003. Página 329 —
– Roldán, T.; Aramburu, V.; Leguizamón, G.; Hoffmann, C. : Efectos biológicos de las radiaciones ionizantes –
2. Latorre, Travis. Radiobiología.
15. Referencias.
1. Riveros, José Alberto. Microanálisis Cuantitativo. Principios Básicos y Situaciones Experimentales. Serevis Científico-Técnico.
Universitat de Barcelona. Barcelona. 1994.
3. Mayo, José. Radiobiología: Bases Radiobiológicas de la Radioterapia. CNEA.
4. Notas de Radiobiología. Curso de Dosimetría en Radioterapia. CNEA. Ca. 1996.
— Ciencia, Vol. 1, Nº 1, Diciembre 2003. Página 330 —