Curso Virtual: Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante

Curso Virtual en Protección Radiológica Efectos Biológicos de las Radiaciones Ionizantes*

Ing. Pablo Giraldo G * En adelante “radiación(es)”.

Primeras observaciones de los efectos de la R.I. 1895

Rayos X descubiertos por Roentgen

1896

Primera quemadura de piel informada

1896

Primer uso de rayos X en el tratamiento de cáncer

1896

Becquerel: descubrimiento de la radioactividad

1897

Primeros casos de daños en la piel informados

1902

Primer informe de cáncer inducido por rayos X

1911

Primer informe de leucemia y cáncer de pulmón por exposición ocupacional

1911

94 casos de tumor informados en Alemania (50 de radiólogos)

Efectos Biológicos de la radiación Ionizante Información proveniente de: • Estudios humanos (epidemiología) • Estudios de animales y plantas (radiobiología experimental) • Estudios fundamentales de células y sus componentes (Biología celular y molecular)

Estas fuentes de información, y su interacción, son la clave para entender los efectos de la radiación en la salud.

Efectos Biológicos de la radiación Ionizante La interacción de las radiaciones con el material biológico afecta a la unidad más pequeña de materia viva capaz de existir independientemente: La célula.

El cuerpo humano contiene alrededor de 100 billones de células. La gran mayoría son células somáticas y las otras son germinales.

La radiación puede ionizar cualquier átomo existente en los componentes de la célula. Un resultado importante es la producción de radicales químicos.

Radiobiología Es el estudio de: • los fenómenos que tiene lugar en los tejidos vivos tras absorber la energía depositada por las radiaciones ionizantes;

• de las lesiones que se pueden producir en el organismo • de los mecanismos de reparación de las mismas (lesiones).

Fuente: imagen tomada de http://www.dnadidactic.com/blog/roturas-del-adn-y-su-reparacion/

Radiobiología. Características básicas 1.

Es probabilística y el daño también.

2.

Es no selectiva (la radiación no muestra preferencias por ninguna estructura celular).

3.

La posible lesión producida por la radiación no es específica de la misma.

4.

Los cambios biológicos que resultan de las radiaciones se producen sólo cuando ha transcurrido un determinado período de tiempo.

5.

La acción de las radiaciones ionizantes sobre la célula es siempre lesivo.

6.

Un efecto específico es independiente de la naturaleza de la radiación que lo produce, si bien no lo es la intensidad de las lesiones.

7.

Es muy corta la duración de la interacción (10-17 s).

Efectos Biológicos de la radiación Ionizante Efectos a nivel de las moléculas biológicas que pueden resultar en daño de las estructuras celulares (citoplasma, núcleo, membranas)

Ionizaciones y/o excitaciones de los átomos El núcleo es el blanco principal del daño por radiación ,

Hidratos de carbono

Lípidos Proteínas Ácidos Nucleicos: ADN y ARN

Fuente: imagen tomada de http://cuadroscomparativos.com/celulas-vegetales-vs-celulas-animalescuadros-comparativos-e-imagenes/

Efectos Biológicos de la radiación Ionizante El ADN contenido en el núcleo celular es el blanco principal del daño por radiación pero no el único…

…Membrana plasmática, sistemas de endomembranas, mitocondria

Fuente: imagen tomada de https://co.pinterest.com/thoughtislight/psicologia/

El ADN Formado por dos largas cadenas que giran sobre sí mismas formando una doble hélice.

Esta constituido por: • Moléculas de azúcar (ribosa ARN o desoxirribosa ADN).

• Enlaces fosfato.

• Bases nitrogenadas complementarias ADN: (Adenina, Timina, Guanina y Citosina).

• Bases nitrogenadas ARN: (Adenina, Uracilo, Guanina y Citosina).

La secuencia variable de las 4 bases del ADN es el fundamento de la información genética.

Fuente: imagen tomada de http://www.profesorenlinea.cl/imagenciencias/cromosoma001.jpg

Blanco crĂ­tico: ADN

Fuente: imagen tomada de http://slideplayer.es/slide/74959/

Mecanismos de Acción: Teorías La interacción de la radiación ionizante con la molécula de ADN puede ser:

Directa

Indirecta

•Absorción directa de energía por la macromolécula (ADN) •Cambio de estructura o función •35% (P. Cargadas) •Radiolosis del agua (radicales libres) •Rompen enlaces químicos en macromoléculas •65%

La acción indirecta es mucho más probable que la acción directa.

Fuente: imagen tomada de https://es.slideshare.net/carlosarteaga961556/efectos-biologicos-de-las-radiacionesionizantes-42818129

Mecanismo de Acción Indirecta Absorción de la radiación ionizante por el medio en que están suspendidos los distintos compuestos que forman la célula. (H2O).

El resultado de la interacción con el agua puede dar lugar a tres radicales libres y dos productos moleculares:

Fuente: imagen tomada de https://es.slideshare.net/carlosarteaga961556/efectos-biologicos-de-las-radiacionesionizantes-42818129

Mecanismo de Acción Indirecta

• Un radical libre es una molécula (orgánica o inorgánica), en general extremadamente inestable y, por tanto, con gran poder reactivo.

• Se pueden formar por radiación, y también se forman en los organismos vivos (incluido el cuerpo humano) por el contacto con el oxígeno y actúan alterando a las membranas celulares y atacando el material genético de las células, como el ADN. • Los radicales libres tienen una configuración electrónica de capas abiertas por lo que llevan al menos un electrón desparejado que es muy susceptible de crear un enlace con otro átomo o molécula.

Ruptura de Cadenas Una irradiaciĂłn puede producir distintos tipos de lesiones en la molĂŠcula de ADN

Fuente: imagen tomada de http://slideplayer.es/slide/74959/

Mecanismos de Reparaciรณn

Aunque la mutaciรณn del ADN estรก sujeta a mecanismos reparadores eficientes, la reparaciรณn no estรก libre de error.

Fuente: imagen tomada de https://es.slideshare.net/GraceRamrez1/efectos-biologicos-de-la-radiacin-ionizante-yradioproteccin

Mecanismos de Reparación El cuerpo humano contiene alrededor de 1014 células.

Una dosis absorbida de 1 mGy por año (fuentes naturales) produciría alrededor de 1016 ionizaciones, lo que significa 100 por cada célula del cuerpo. Si asumimos que la masa de ADN es el 1% de la masa de la célula, el resultado será una ionización en la molécula de ADN en cada célula del cuerpo cada año...  999 de 1000 lesiones son reparadas  999 de 1000 células dañadas mueren (no implica un gran problema ya que millones del células mueren a diario en cada persona)

Respuesta Adaptativa Estímulo de los mecanismos de reparación.

El término respuesta adaptativa se utiliza para hacer referencia a la posibilidad de que una dosis pequeña de radiación —denominada de varias formas, tales como dosis condicionante— pueda condicionar a las células mediante la inducción de procesos que reduzcan ya sea la incidencia natural de enfermedades malignas o la probabilidad de que una dosis de radiación adicional — denominada dosis provocadora— cause un exceso de dichas enfermedades.

Respuesta Adaptativa

Estímulo de los mecanismos de reparación.

En la literatura se encuentran informes que proporcionan datos relativos a la respuesta orgánica adaptativa a la exposición a las radiaciones de mamíferos de laboratorio. Sin embargo, vista la falta de pruebas concluyentes, el UNSCEAR se mantiene indeciso en cuanto a si la adaptación también ocurre a nivel del sistema celular y a si el sistema inmunológico desempeña algún papel en el proceso.

Su confirmación tendría gran relevancia ya que las estimaciones del riesgo de efectos estocásticos debidos a dosis de radiación bajas han sido sobrevaloradas.

Respuesta Biológica Existen varios factores que pueden modificar la respuesta biológica, entre los cuales pueden mencionarse:

Tasa de dosis

Fraccionamiento de la dosis

Calidad de la radiación

Volumen Irradiado

Jerarquía del tejido irradiado

*Dosis o Tasa de Dosis bajas Se refiere a exposiciones en las que resulta muy improbable que ocurra mas de un caso de absorción de energía de la radiación en las partes críticas de la una célula (y que la dañe) durante el tiempo en que pueden actuar en ella sus mecanismos de reparación.

A dosis bajas de radiación, puede haber una gran cantidad de radiaciones incidentes sobre cada célula, pero la frecuencia de las interacciones es extremadamente baja.

USCEAR concluye que una dosis baja de radiación corresponde a una dosis total inferior a 200 mSv y a tasas de dosis por debajo de 0,1 mSv/min (6 mSv/hora).

*Dosis o Tasa de Dosis bajas y Reparación Como lo mencioné anteriormente, el cuerpo humano contiene alrededor de 1014 células. Una dosis absorbida de 1 mGy por año (fuentes naturales) produciría alrededor de 1016 ionizaciones, lo que significa 100 por cada célula del cuerpo. Si asumimos que la masa de ADN es el 1% de la masa de la célula, el resultado será una ionización en la molécula de ADN en cada célula del cuerpo cada año.

*Calidad o tipo de radiación Låg LET .. ......... ... .........

Hög LET

LET (transferencia lineal de energía) es la cantidad de energía (MeV) que una partícula perderá al atravesar una cierta distancia (m) de un material.

Ya vimos un modulo especifico sobre tipos de radiación

*Calidad o tipo de radiación Patrón de ionización generado en las células por una dosis absorbida de 10mGy (1Rad), diámetro celular de 5µm

Rayos Gamma de 1MeV, produce ~ 150 pares de iones en un arreglo sustancialmente aleatorio, este patrón es similar en todas las otras células

Neutrones de 1MeV, produce ~ 6500 pares de iones en un arreglo sustancialmente lineal. Este patrón ocurre en ~2% de las células, mientras que un ~98% de las células no reciben energía

Radio Sensibilidad Probabilidad de una célula, tejido u órgano de sufrir un efecto por unidad de dosis.

Según Bergonie y Tribondeau, las células son más radio sensibles:

Mitóticamente activas

No están diferenciadas

Radio sensibilidad: Ley de Bergonie y Tribondeau

Baja RS

Músculo, hueso, sistema nervioso

Mediana RS

Piel, organos del mesodermo (hígado, corazón, pulmones)

Alta RS

Médula ósea, bazo, timo, nodos linfáticos, gónadas, lente cristalino, linfocitos (excepción de las leyes de la RS)

Proceso de los efectos de las radiaciones Duración Física

Físicoquímica

Etapa 10-15 s 10-6 s

Química

10-3 s

Biológica

1s

Biológica

1 h – 1 día

Efectos médicos

1 año – 100 años

Proceso Absorción de energía, ionización Interacción de iones con moléculas, formación de radicales libres Quiebre del ADN /Daño de la base Proceso de reparación /Fijación del daño Muerte celular, cambio de la información genética en las células, mutaciones Promoción / Teratogénesis / Cáncer / Efectos hereditarios

DespuĂŠs de la IrradiaciĂłn

Efectos biológicos Determinísticos

Cataratas

umbral

Antes Después Severidad

Latencia breve

Aguda

Fraccionada

5 Gy

> 8 Gy 0,5 Gy

Efectos biológicos Determinísticos

umbral

Severidad

Latencia breve

Estocásticos

Efectos deterministas Muerte celular por necrosis (muerte patológica como consecuencia de un daño irreversible causado por la radiación), de una apoptosis celular (autodestrucción programada de la célula) o del impedimento de la reproducción normal.

Dosis bajas

Dosis altas

• La muerte celular es poco frecuente y, por tanto, no tiene consecuencias para la salud en vista de la redundancia de las funciones celulares y el reemplazo celular.

• Pueden llegar a matar a un gran número de células en un órgano o tejido. El efecto de muerte celular es mortal para los tejidos y si se trata de tejidos vitales, para el individuo afectado.

El valor umbral de dosis para cada efecto…

Depende del modo de suministrar la dosis Una sola dosis alta es más efectiva.

El fraccionamiento incrementa significativamente el umbral de la dosis en la mayoría de los casos.

Disminuir la tasa de dosis eleva el umbral en la mayoría de los casos.

El umbral puede diferir en cada persona

Efectos sistémicos Los

efectos

pueden

ser

morfológicos

y/o

funcionales

Factores Cuál órgano Cuál Dosis

Efectos Inmediato (usualmente reversible): < 6 meses, ej. inflamación, sangrado Demorado (usualmente irreversible): > 6 meses, ej. atrofia, esclerosis, fibrosis

Criterio de la dosis < 1 Gy: dosis baja 1-10 Gy: dosis moderada > 10 Gy: dosis alta

Regeneración significa el remplazo por el tejido original mientras reparación significa remplazo por tejidos conectivos

Síndrome Agudo de Radiación Fases: 1.Prodrómica (comienzo de la enfermedad) 2.Latencia 3.Manifestación

Accidente Constituyentes 1983 • 37 Gy • Prodromal – 25 minutos • Manifestación – 24 horas

Dosis letal 50/30 • Es una expresión del porcentaje de dosis letal como una función de tiempo • Significa: “Dosis que podría causar la muerte al 50% de la población en 30 días” • Su valor es de alrededor de 2-3 Gy por irradiación de cuerpo entero por persona

Fase Prodromal • • •

Se desarrolla durante las primeras 24-48 hs.

Permite estimación precoz de la dosis (valor pronóstico).

Los síntomas prodromales son tanto más precoces y severos cuanto mayor haya sido la dosis (gran variabilidad individual)

http://www.remm.nlm.gov/ars_wbd.htm

Forma Gastrointestinal

Control

DenudaciĂłn de vellosidades

16 Gy Dia 5

PĂŠrdida de fluidos y electrolitos MUERTE Bacteriemia

Síndrome Cutáneo Radioinducido (Scr) • Se define como irradiación localizada a la sobreexposición de una fracción limitada del cuerpo.

• Son los eventos radiológicos accidentales más frecuentes y constituyen un desafío en lo que concierne a la evaluación dosimétrica y a la determinación de la extensión y profundidad del daño

Síndrome Cutáneo Radioinducido (Scr) Vista histológica de la piel

• Siguiendo las leyes de la RS (Bergonie y Tribondeau), la mayoría de las células RS son aquellas de la capa basal de la epidermis

EPIDERMIS

• Los efectos son DERMIS

De “Atlas de Histologia...”. J. Boya

Las células de la capa basal, altamente mitóticas, algunas de ellas con melanina, responsable de la pigmentación.

 Eritema: 1-24 horas después de la irradiación de aproximadamente 3-5 Gy  Alopecia:  5 Gy es reversible  20 Gy es irreversible  Pigmentación: Reversible, aparece 8 días después de la irradiación  Descamación seca o húmeda: traduce la hipoplacia epidérmica (dosis alrededor de 20 Gy)  Efectos demorados: teleangiectasia, fibrosis

Síndrome Cutáneo Radioinducido (Scr)

Ejemplo • Paciente de 40 años sometido a una angiografía coronaria, angioplastia coronaria y una segunda angiografía debido a complicaciones, todo en el mismo día.

• Se desconoce el valor exacto La dosis se estima probable que superara los 20 Gy y que el tiempo de fluoroscopía superara los 120 minutos.

Fuente: imagen tomada de http://slideplayer.no/slide/2115500/

Efectos Estocásticos Existen dos tipos de efectos estocásticos

Los que se producen en células somáticas

Carcinogénesis

Inducción de cáncer en el individuo expuesto

Los que se producen en células germinales

Efectos hereditarios

Inducción de alteraciones genéticas en la progenie del individuo irradiado

Carcinogénesis Riesgo de cáncer en adultos…. 5% por Sv.  Leucemia linfoide  Carcinoma de mama, tiroides, colon, estomago, pulmón y ovario.  Evidencia insuficiente para carcinoma de esófago, hepático, piel, vejiga, SNC, mieloma múltiplo y linfoma.

Efectos estocásticos de la radiación

Consecuencia en la salud por el accidente de Chernobyl: 1800 niños diagnosticados con cáncer de tiroides (1998)

Actualidad Dos firmas moleculares asociadas a los daños en el ADN causados por la radiación Un estudio dirigido por el Wellcome Trust Sanger Institute, indentificó dos firmas moleculares de daño sobre el ADN características de la radiación ionizante, que explican su potencial como agente carcinógeno y podrían ser utilizadas en el futuro para identificar cuándo un tumor ha sido causado por radiación y estudiar si los cánceres inducidos por radiación deberían ser tratados de forma igual o diferente a otros tipos de cáncer.

Fuente: imágenes tomadas de http://www.sanger.ac.uk/news/view/how-ionising-radiation-damages-dna-andcauses-cancer

Efectos Hereditarios Se han observado efectos genéticos de las radiaciones ionizantes tanto en plantas como animales

PERO…

El estudio intensivo de 70.000 descendientes de sobrevivientes de H y N no ha permitido identificar incrementos significativos de efectos hereditarios.

Riesgo de efectos hereditarios…. 0,2% por Sv Fuente: imágenes tomadas de http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0034-75152003000100003

Efectos Prenatales • A medida que aumenta el tiempo post-concepción la Radio Sensibilidad RS

Letalidad

decrece • Hay 3 tipos de efectos: letalidad, anomalías congénitas y efectos muy tardíos (cancer).

• La siguiente gráfica es para dosis fetales de 100 mGy.

Anomalías congénitas

%

Pre-implantación

Organogénesis

Feto

Tiempo

En resumenâ&#x20AC;¦

Fuente: imagen tomada de http://68.media.tumblr.com/781db59554ae2ef20536b1ce2dcef6d1/tumblr_inline_mrtpdpk1PX1qz4rgp.jpg

MUCHAS GRACIAS Efectos Biolรณgicos de las Radiaciones Ionizantes Ing. Pablo Giraldo G