Download 03. Efectos Biológicos de las radiaciones ionizantes - RPoP
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OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN RADIOTERAPIA Parte 3 Efectos Biológicos IAEA International Atomic Energy Agency Introducción !Lo que finalmente importa es el efecto biológico! • La dosis al tumor determina la probabilidad de cura (o la probabilidad de paliación) • La dosis a estructuras normales determina la probabilidad de efectos secundarios y complicaciones • La dosis al paciente, al personal, y a los visitantes determina el riesgo de detrimento por radiación a estos grupos IAEA Title of Lecture 2 Introducción !Lo que finalmente importa es el efecto biológico! • La dosis al tumor determina la probabilidad de cura (o la probabilidad de paliación) • La dosis a estructuras normales determina la probabilidad de efectos secundarios y complicaciones • La dosis al paciente, al personal, y a los visitantes determina el riesgo de detrimento por radiación a estos grupos. Bajas dosis: Efectos estocásticos Altas dosis: Efectos Deterministas IAEA Title of Lecture 3 Efectos deterministas • Debido a muerte Severidad del efecto dosis umbral celular • Tienen un umbral de dosis – por lo general varios Gy • Específicos para los diversos tejidos • La severidad del daño depende de la dosis IAEA Title of Lecture 4 Efectos estocásticos • Debido a cambios celulares (ADN) y su proliferación hacia una enfermedad Probabilidad de efecto maligna • Severidad (ejemplo; cáncer) independiente de la dosis • No hay umbral de dosis – también aplicable a dosis dosis muy pequeñas • Probabilidad de efectos aumenta con la dosis IAEA Title of Lecture 5 Dos objetivos • La radioterapia deliberadamente aplica radiaciones a los pacientes para producir efectos deterministas (matar células tumorosas) – en este contexto se aceptan ciertos efectos deterministas y estocásticos (=efectos secundarios) • La protección radiológica tiene el objetivo de minimizar el riesgo de efectos radiológicos ‘inaceptables’ para el paciente (= complicaciones) debido a errores o una práctica de irradiación no optimizada; así como minimizar el riesgo de efectos dañinos en otros. IAEA Title of Lecture 6 … cierto margen de interpretación en la práctica • Algunas complicaciones son eventos que no fueron ‘predichos’ para un determinado paciente debido a variaciones biológicas entre los pacientes – aparecen con baja frecuencia (vea ICRP Report 86) • La protección radiológica ha de referirse a la irradiación no intencional (ej. dosis errónea, paciente erróneo) y a la optimización de la administración para minimizar el riesgo de complicaciones IAEA Title of Lecture 7 Contenido de la Parte 3 Conferencia 1: Radiobiología de la protección radiológica • Efectos deterministas, estocásticos y genéticos • Magnitudes de las radiaciones relevantes • Riesgos Conferencia 2: Radiobiología de la radioterapia • Efectos deterministas; muerte celular • Modelos radiobiológicos; efectos en el tiempo IAEA Title of Lecture 8 Objetivos de la Parte 3 • Comprender los diversos efectos de las radiaciones sobre los tejidos humanos • Apreciar la diferencia entre altas y bajas dosis; efectos deterministas y estocásticos • Obtener nociones de los ordenes de magnitud de las dosis y sus efectos • Apreciar los riesgos asociados al empleo de las radiaciones ionizantes como punto de partida para un sistema de protección radiológica IAEA Title of Lecture 9 OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia Parte 3 Efectos Biológicos Conferencia 1: Protección radiológica IAEA International Atomic Energy Agency Contenido 1. Efectos biológicos de las radiaciones 2. De Gray a Sievert 3. Evidencia epidemiológica 4. Riesgos y restricciones de dosis IAEA Title of Lecture 11 1. Efectos de las Radiaciones La radiación ionizante célula interactúa a nivel celular: núcleo • Ionización • Cambios químicos • Efectos biológicos Radiación incidente cromosomas IAEA Title of Lecture 12 El blanco en la célula: El ADN IAEA Title of Lecture 14 Procesos de los efectos de las radiaciones Duración Física Físicoquímica Química Biológica Etapa Proceso Absorción de energía, ionización 10-15 s Interacción de iones con moléculas, formación de radicales libres 10-6 s segundos Interacción de radicales libres con moléculas, células y ADN decenas de minutos Muerte celular, cambio de la información genética en las a decenas de años células, mutaciones IAEA Title of Lecture 15 Observaciones tempranas de los efectos de las radiaciones ionizantes • • • • • • • 1895 1896 1896 1896 1897 1902 Rayos X descubiertos por Roentgen Primeros reportes de quemaduras en piel Primer empleo de rayos X para tratamiento del cáncer Becquerel: Descubrimiento de la radiactividad Primeros casos reportados de daño en la piel Primer reporte de cáncer inducido por rayos X 1911 Primer reporte de leucemia en humanos y cáncer de pulmón por exposición ocupacional • 1911 Reportados en Alemania 94 casos de tumores (50 eran radiólogos) IAEA Title of Lecture 16 Monumento a los pioneros de las radiaciones que murieron a causa de su exposición IAEA Title of Lecture 17 Efectos de las radiaciones Tres tipos básicos • Estocásticos - probabilidad de efecto relacionado con la dosis, disminuye al disminuir ésta • Deterministas - umbral para efecto – por debajo, no hay efecto; por encima, hay certeza, y la severidad aumentan con la dosis • Hereditarios - (genéticos) – incidencia estocástica asumida, sin embargo, se manifiesta en las generaciones futuras IAEA Title of Lecture 18 Efectos deterministas • Debido a muerte celular • Tienen un umbral de dosis • Específicos para determinados tejidos • Severidad del daño depende de la dosis Heridas por radiación desde una fuente industrial IAEA Title of Lecture 19 Ejemplos de efectos deterministas • • • • • Descamado de la piel Cataratas del cristalino del ojo Esterilidad Fallo renal Síndrome agudo de radiación (cuerpo entero) IAEA Title of Lecture 20 Reacciones de la piel Afección Eritema transiente temprano Depilación temporal Eritema principal Depilación permanente Descamado seco (piel) Fibrosis invasiva Atrofia dérmica Telangiectasis Descamado húmedo Eritema tardío Necrosis dérmica Ulceración secundaria Umbral de dosis a la piel (Sv) Semanas para manifestarse 2 <<1 3 6 7 10 10 11 12 15 15 18 20 3 1.5 3 4 Daño a la piel por exposición prolongada a rayos X >14 >52 4 6-10 >10 >6 IAEA Title of Lecture 21 Dosis umbrales para efectos deterministas • Cataratas del cristalino del ojo 2-10 Gy • Esterilidad permanente – varones – hembras 3.5-6 Gy 2.5-6 Gy Severidad del efecto • Esterilidad temporal – varones – hembras 0.15 Gy 0.6 Gy dosis umbral IAEA Title of Lecture 22 Notas sobre los valores umbrales • Dependen del modo de administrar la dosis: – el más efectivo; una dosis única elevada – el fraccionamiento incrementa el umbral de dosis, en la mayoría de los casos, de forma significativa – disminuir la tasa de dosis incrementa el umbral en la mayoría de los casos • El umbral puede ser diferente para los diferentes individuos IAEA Title of Lecture 23 Efectos estocásticos • Debido a cambios celulares (ADN) y proliferación hacia una enfermedad maligna • Severidad (ej. cáncer) independiente de la dosis • No hay umbral de dosis (se presume que ocurren a cualquier dosis no importa cuan baja sea) • La probabilidad de efecto se incrementa con la dosis IAEA Title of Lecture 24 Efectos biológicos A bajas dosis el daño a una célula es un efecto fortuito – haya o no habido transferencia de energía. IAEA Title of Lecture 25 … ordenes de magnitud • 1cm3 de tejido = 109 células • 1 mGy --> 1 en 1000 o impacto en106 células • 999 de 1000 lesiones son reparadas – quedando 103 células dañadas • 999 de 1000 células dañadas mueren (nada serio puesto que millones de células mueren diariamente en toda persona) • 1 célula puede vivir con daño (puede mutar) IAEA Title of Lecture 26 Inducción del cáncer • El efecto estocástico más importante desde el punto de vista de la seguridad radiológica • Es un proceso de múltiples etapas – generalmente tres: cada una requiere un evento… • Es un proceso complejo que involucra células, la comunicación entre ellas y el sistema inmunológico... IAEA Title of Lecture 27 2. De Gy a Sv: Magnitudes y unidades de las radiaciones Exposición Dosis Absorbida Dosis Equivalente Dosis Efectiva IAEA Title of Lecture 28 Magnitudes de las radiaciones Dosis absorbida D • La cantidad de energía transferida por unidad de masa en un material blanco • Aplicable a cualquier radiación • Se mide en gray (Gy) = 1 joule/kg • La antigua unidad rad = 0.01 Gy IAEA Title of Lecture 29 Magnitudes de las radiaciones Dosis Equivalente H • Tiene en consideración el efecto de las radiaciones sobre el tejido empleando un coeficiente de ponderación de las radiaciones WR • Se mide en sievert (Sv) • La antigua unidad rem = 0.01 Sv • H = D wR IAEA Title of Lecture 30 Coeficientes de ponderación por tipo de radiación (ICRP 60) Tipo de radiacion WR Beta 1 Alpha 20 Rayos X 1 Rayos gamma 1 Neutrones <10 keV 5 Neutrones (10 keV – 100 keV) 10 Neutrones (100 keV – 2 MeV) 20 Neutrones (2 meV – 20 MeV) 10 Neutrones >2 MeV 5 IAEA Title of Lecture 31 Nota: La ‘efectividad radiobiológica’ para diferentes tipos de radiaciones depende del último aspecto visto. Los valores del ICRP dados en la diapositiva anterior aplican solo para efectos estocásticos. IAEA Title of Lecture 32 Magnitudes de las radiaciones Dosis Efectiva E • Toma en cuenta las diversas sensibilidades de los diferentes tejidos ante las radiaciones empleando Factores de Ponderación para Tejido wT • Se mide en sievert (Sv) • Se emplea cuando se irradian varios órganos a dosis diferentes, o a veces cuando un órgano se irradia por separado • E = Sum all organs (wT H) = Sumall organs (wT wR D) IAEA Title of Lecture 33 Coeficientes de ponderación por tejido (ICRP 60) Tejido WT Gónadas 0.2 Médula ósea (roja) 0.12 Colon 0.12 Pulmón 0.12 Estómago 0.12 Vejiga 0.05 Mama 0.05 Hígado 0.05 Esófago 0.05 Tiroides 0.05 Piel 0.01 Superficies óseas 0.01 Resto 0.05 TOTAL 1.00 IAEA Title of Lecture 34 Coeficientes de ponderación por tejido (ICRP 60) Tejido WT Gónadas 0.2 Médula ósea (roja) 0.12 Colon 0.12 Pulmón 0.12 Estómago 0.12 Los riesgos genéticos son 0.05 considerados, aprox. 4 veces, 0.05 de menor importancia 0.05 0.05 la inducción de cáncer que Vejiga Mama Hígado Esófago Tiroides 0.05 Piel 0.01 Superficies óseas 0.01 Resto 0.05 TOTAL 1.00 IAEA Title of Lecture 35 Magnitudes de las radiaciones • La dosis efectiva se emplea para describir la relevancia biológica de una exposición a las radiaciones en que diferentes tejidos/órganos reciben diversas dosis absorbidas, potencialmente a partir de diversas fuentes de radiación • Los conceptos dados de dosis efectiva y de coeficientes de ponderación por tejido son solo de aplicación a los efectos estocásticos. • La dosis efectiva es una cuantificación de riesgo IAEA Title of Lecture 36 Magnitudes de las radiaciones Dosis colectiva • Se emplea para medir el impacto total de una práctica con radiaciones, o de una fuente, sobre todas las personas expuestas • Por ejemplo radiología diagnóstico • Se mide en hombre-sievert (hombre-Sv) IAEA Title of Lecture 37 Cuantificación de los efectos estocásticos • Riesgo total de cáncer fatal para la población general en su vida = 5% / Sv • Riesgo de cáncer fatal en la vida por cáncer de: – Médula ósea 0.5 % / Sv – Superficie ósea 0.05 – Mama 0.2 % – Pulmón 0.85 – Tiroides 0.08 IAEA Title of Lecture 38 ¿Cómo es que se conocen estas cosas? • Epidemiología (observaciones en humanos) • Radiobiología experimental (estudios en animales) • Biología de las radiaciones a nivel celular y molecular IAEA Title of Lecture 39 3. Evidencia epidemiológica Muertes por cáncer/año/1M personas 10000 1000 100 natural cancer mortality 10 additional cancer deaths due to radiation 1 0,1 1 10 100 1000 10000 Dosis (mGy) IAEA Title of Lecture 40 3. Evidencia epidemiológica Muertes por cáncer/año/1M personas 10000 1000 100 Rayos-X 10de Tórax Fondo Anual Escáner CTnatural cancer mortality Fracción additional cancer Típica de la deaths due toRadioterapia radiation 1 0,1 1 10 100 1000 10000 Dosis (mGy) IAEA Title of Lecture 41 Fuentes de radiación de fondo IAEA Title of Lecture 42 Contribuyentes a la exposición a las radiaciones en GB Total: 2-3 mSv/año IAEA Title of Lecture 43 Epidemiología de los riesgos de cáncer • ESTUDIO DE DURACIÓN DE VIDA (Hiroshima y Nagasaki): Solo ~5% de 7,800 muertes de cáncer o leucemia se debieron a las radiaciones • Otras evidencias (ejemplos) – Exposiciones de tiroides – – – – con I-131 en Escandinavia Pintores de esferas con Radio Chernobil Tripulaciones de aviones Muchos otros estudios IAEA Title of Lecture 44 Ejemplo de exposición a las radiaciones de una tripulación aérea a la radiación cósmica Exposición de tripulación de Nueva Zelanda • Rutas Internacionales – 1000 horas por año, con 90% del tiempo a una altitud de 12 km – dosis anual de 6.5 mSv a partir de radiación cósmica • Rutas Nacionales – 1000 horas por año, con 70% del tiempo a una altitud de 11 km – dosis anual de 3.5 mSv a partir de radiación cósmica Adaptado de L Collins 2000 IAEA Title of Lecture 45 Evidencias epidemiológicas Cancer deaths /year/1M people 10000 Datos de los Estudios de Tiroides 131-I de Hiroshima y Nagasaki 1000 100 natural cancer mortality additional cancer deaths due to radiation ? 10 1 0.1 1 10 100 1000 10000 Dose (mGy) IAEA Title of Lecture 46 Problemas con los datos a bajas dosis • Los datos de cultivos celulares y de animales son de difícil extrapolación para humanos • Experiencia en humanos – De no ser fortuita sino controlada Sería extremadamente antiético – Muchas suposiciones en el Estudio de duración de vida Pobre información de dosis (a parte o a todo el cuerpo) Condiciones existentes en paralelo desconocidas Estadísticas deficientes (pequeñas cantidades) IAEA Title of Lecture 47 ¿Qué pasa en el extremo de las bajas dosis del gráfico, por debajo de 100 mSv? IAEA Title of Lecture 48 Evidencias epidemiológicas Cancer deaths /year/1M people 10000 1000 La hipótesis lineal de no umbral, reducida a bajas dosis y bajas tasas de dosis por un factor de 2; se corresponde en general con los datos 100 10 natural cancer mortality additional cancer deaths due to radiation 1 0.1 1 10 100 1000 10000 Dose (mGy) IAEA Title of Lecture 49 4. Estimados de riesgo • Riesgo = probabilidad de efecto • Se pueden examinar diferentes efectos – se necesita observar cuidadosamente el efecto a considerar: ej. ¡Mortalidad por cáncer de tiroides NO es igual a incidencia de cáncer de tiroides!!! • Estimados de riesgo; generalmente obtenidos para altas dosis y extrapolados para bajas dosis IAEA Title of Lecture 50 La influencia de la tasa de dosis en los efectos estocásticos • Estudios en ratones, comparando irradiación aguda con exposición crónica, muestran un factor de reducción de tasa de dosis entre 2 y 5 para acortamiento de la vida, y entre 1 y 10 para inducción de tumores. • En humanos, los datos de los sobrevivientes de las bombas atómicas sugieren un Factor de eficacia de Dosis y Tasa de Dosis (DDREF) de 2.0 para leucemia y 1.4 para los restantes tipos de cáncer. • Se debe aplicar un DDREF ya sea si la dosis total es < 200 mGy o si la tasa de dosis es menor de 0.1 mGy/min. IAEA Title of Lecture 51 Estimados de riesgo • ICRP 60, resumen de riesgos de mortalidad por cáncer en la vida Alta dosis Alta tasa de dosis Baja dosis (0.2 Gy) Baja tasa de dosis (<0.1 Gy/h) Población trabajadora 0.08 por Sv 0.04 por Sv Población general (incluye adolesc. y niños) 0.10 por Sv 0.05 por Sv • Estudios de muchos pacientes de RT muestran un riesgo de segunda aparición del cáncer de 5% • Riesgo genético (ICRP 60): 0.006 por Sv IAEA Title of Lecture 52 Comparación de los riesgos del trabajador con radiaciones respecto a otros trabajadores Comercio Producción Servicios Gobierno Transporte Construcción Minas/canteras tasa media de muertes 1989 (10-6/a) 40 60 Industrias seguras 40 2 mSv/a 90 240 320 exposición máx. permisible 430 una vez en la vida Agricultura 400 IAEA Title of Lecture 53 Fundamentos de los límites de exposición Los límites han cambiado con el tiempo • Información biológica – Los límites son más restrictivos, los riesgos de cáncer son mayores a lo considerado en los años 1950s • Filosofía social • Capacidad para controlar las exposiciones IAEA Title of Lecture 54 Comentarios sobre el feto/embrión • El feto/embrión es más sensible a la radiación ionizante que el adulto humano • Evidencias en aumento de abortos espontáneos pocos días después de la concepción • Incidencia en aumento – Retraso mental – Microcefalia (pequeñas dimensiones de la cabeza) especialmente de 8-15 semanas después de la concepción – Malformaciones: del esqueleto, retardo del crecimiento, genitales • Mayor riesgo de cáncer (esp. leucemia) – Tanto en la infancia como posteriormente IAEA Title of Lecture 55 Comentarios sobre el feto/embrión • El feto/embrión es más sensible a la radiación ionizante que el adulto humano • Evidencias en aumento de abortos espontáneos pocos días después de la concepción • Incidencia en aumento Efecto determinista – Retraso mental – Microcefalia (pequeñas dimensiones de la cabeza) especialmente de 8-15 semanas después de la concepción – Malformaciones: del esqueleto, retardo del crecimiento, genitales • Mayor riesgo de cáncer (esp. leucemia) – Tanto en la infancia como posteriormente Efecto estocástico IAEA Title of Lecture 56 Tipos de efectos después de irradiación intrauterina Tiempo después de la concepción Efecto Primeras 3 semanas No efectos determ. o estoc. en los nac. vivos 3ra a 8va semanas Probab. de malformación de órganosa 0.06 (1 en 17) 8va a 25va semanas Probab. de retraso mental severob 5 x 10-3 (1 en 200) 4ta sem. – resto de per. gestación Cáncer en la infancia o en la adultezc 1 x 10-3 (1 en 1000) a b c Incidencia normal en nac. vivos - Efecto determinista. Umbral ~ 0.1 Gy Afect. 30 udes IQ: 8-15ta sem.; <afect. 30 udes IQ: 16 - 25ta sem. Riesgo intrauterino ~ riesgo < 10 años de edad IAEA Title of Lecture 57 Incidencia de muertes y anomalías prenatales y neonatales Hall, Radiobiología para el Radiólogo pág. 365 IAEA Title of Lecture 58 Riesgos genéticos • Se sabe que las radiaciones ionizantes provocan mutaciones hereditarias en muchas plantas y animales PERO • Estudios intensivos a 70 000 descendientes de sobrevivientes de las bombas atómicas no han logrado identificar ningún incremento de anomalías congénitas, cáncer, aberraciones cromosómicas en linfocitos circulantes, ni mutaciones en proteínas de la sangre. Neel y colab., Am. J. Hum. Genet. 1990, 46:1053-1072 IAEA Title of Lecture 59 Efectos estocásticos no cancerígenos de las radiaciones • Los datos del LSS han sido analizados para determinar la mortalidad no cancerígena de los fallecidos entre 1950 y 1990. • Se detectó un incremento estadístico significativo en función de la dosis de radiación para: – Accidentes cerebrovasculares – Enfermedades cardiacas – Enfermedades respiratorias – Enfermedades digestivas Shimizu T y colab., Radiation Research, 1999; 152:374-389 IAEA Title of Lecture 60 Riesgo de muerte promedio anual en GB debido a accidentes industriales y a cáncer debido al trabajo con radiaciones Minería de carbón 1 in 7,000 Extracción de petróleo y gas 1 in 8,000 Construcción 1 in 16,000 Trabajo con radiaciones (1.5 mSv/año) 1 in 17,000 Metalurgia 1 in 34,000 Todos los tipos de fabricación 1 in 90,000 Producción química 1 in 100,000 Todos los servicios 1 in 220,000 Tomado de L Collins 2000 IAEA Title of Lecture 61 Resumen • La inducción de cáncer constituye el riesgo más significativo de la exposición a radiaciones ionizantes a bajas dosis • La inducción de cáncer es un efecto estocástico • A elevadas dosis de radiación también influyen los efectos deterministas IAEA Title of Lecture 62 Resumen: Magnitudes de las dosis Dosis absorbida (Gy “gray”) Energía transferida al tejido Dosis equivalente (Sv “sievert”) Dosis absorbida modificada por un factor de ponderación de las radiaciones Dosis Efectiva (Sv “sievert”) Dosis de radiación de cuerpo completo – una medida del riesgo IAEA Title of Lecture 63 Resumen (3) • Los riesgos se pueden calcular • Sin embargo: – Sus valores numéricos son generalmente pequeños y pueden no ser comprendidos – Las medidas a aplicar para evitar o minimizar los riesgos dependen de interpretación y de los beneficios que se perciben – esto puede variar significativamente de persona a persona así como entre sociedades • Las restricciones de dosis se pueden seleccionar de modo que se igualen los niveles de riesgo de otras profesiones IAEA Title of Lecture 64 ¿Dónde obtener más información? • De las partes 2 y 4 del curso • International Commission on Radiological Protection (ICRP) Reports. – En especial: “The 1990 recommendations if the International Commission on Radiological Protection, ICRP report 60. Oxford: Pergamon Press; 1991.” • International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU) Reports IAEA Title of Lecture 65 ¿Preguntas? IAEA Title of Lecture 66 Pregunta ¿Por qué es limitada nuestra información sobre los efectos de las radiaciones a bajas dosis de radiación (ej. < 20mSv)? IAEA Title of Lecture 67 La respuesta debe incluir pero no limitarse a: • La dosimetría es difícil a niveles próximos al • • • • valor del fondo Evidencia epidemiológica limitada La investigación y experimentación en humanos son éticamente imposibles Los efectos (de haberlos) son pocos Probablemente existe un efecto de la dosis y de la tasa de dosis – a bajas dosis y tasas de dosis los efectos de las radiaciones tienden a ser menores que a altas dosis. IAEA Title of Lecture 68