DIPLOMADO 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)
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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.
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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.
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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/
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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).
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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/
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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/
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
Blanco crítico: ADN
Fuente: imagen tomada de http://slideplayer.es/slide/74959/
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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. Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
Ruptura de Cadenas Una irradiación puede producir distintos tipos de lesiones en la molécula de ADN
Fuente: imagen tomada de http://slideplayer.es/slide/74959/
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
Mecanismos de Reparación
Aunque la mutación del ADN está sujeta a mecanismos reparadores eficientes, la reparación no está libre de error. Fuente: imagen tomada de https://es.slideshare.net/GraceRamrez1/efectos-biologicos-de-la-radiacin-ionizante-yradioproteccin
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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)
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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.
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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. Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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).
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
*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.
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
*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 Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
*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
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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:
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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)
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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
Después de la Irradiación
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
Efectos biológicos Determinísticos
Cataratas
umbral
Antes Después Severidad
Latencia breve
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
Aguda
Fraccionada
5 Gy
> 8 Gy 0,5 Gy
Efectos biológicos Determinísticos
umbral
Severidad
Latencia
Diplomado en Protección Radiológica breve Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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.
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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 Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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 Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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)
Diplomado en Protección Radiológica http://www.remm.nlm.gov/ars_wbd.htm Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
Forma Gastrointestinal
Control
Denudación de vellosidades
16 Gy Dia 5
Pérdida de fluidos y electrolitos MUERTE Bacteriemia
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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. Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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)
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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/
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
Efectos Estocásticos Existen dos tipos de efectos estocásticos
Los que se producen en células somáticas
Carcinogénesis
Inducción de cáncer en el individuo expuesto
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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.
Diplomado en Protección Radiológica
Anex I. Epidemiological evaluation of radiation-induced cáncer. 2006
Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
Efectos estocásticos de la radiación
Consecuencia en la salud por el accidente de Chernobyl: 1800 niños diagnosticados con cáncer de tiroides (1998)
Diplomado en Protección Radiológica
Anex I. Epidemiological evaluation of radiation-induced cáncer. 2006
Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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
Diplomado en Protección Radiológica
Behjati S, et al. Mutational signatures of ionizing radiation in second malignancies. Nat Commun. 2016.
Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
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
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
Feto
Tiempo
En resumen…
Fuente: imagen tomada de http://68.media.tumblr.com/781db59554ae2ef20536b1ce2dcef6d1/tumblr_inline_mrtpdpk1PX1qz4rgp.jpg
Diplomado en Protección Radiológica Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante
MUCHAS GRACIAS DIPLOMADO PROTECCIÓN RADIOLÓGICA Efectos Biológicos de las Radiaciones Ionizantes
Ing. Pablo Giraldo G