EFECTOS BIOLOGICOS DE LAS RADIACIONES IONIZANTES

1.Factores que determinan la magnitud del daño biológico 2. Clasificación de los efectos biológicos 3. Radiosensibilidad

Efectos Biológicos de las Radiaciones Ionizantes üNaturaleza de la radiación: energía, penetración, ionización específica üLocalización de la fuente: interna o externa

Energía y penetración: Radiación alfa

Energía y penetración: Radiación beta

Energía y penetración: Radiación gamma

Energía y penetración: Radiación X

Fuentes de radiación • Externas • Internas

Absorción a partir de fuentes externas de radiación • Naturaleza de la radiación • Distancia • Materiales interpuestos

Externas (irradiación γ o X) • La dosis absorbida dependerá de: – Actividad de la fuente – Distancia de la fuente – Materiales interpuestos – Energía de la radiación

I1 d 22 = 2 I 2 d1 Ax= Ao. e-µx

Fuentes Internas • Radioisótopos – – – –

Propiedades Físicas y naturaleza Química. Propiedades biológicas (metabolismo). Decaimiento biológico. Forma de administración y localización.

• Radiaciones secundarias: emisores a, ß ó γ pueden producir radiación X secundaria en el organismo.

La actividad de un radioisótopo en el organismo decae más rápidamente que in vitro ¿POR QUÉ?

Respecto a propiedades Físicas: Período de semidesintegración físico Se tratará de utilizar radioisótopos con el menor período de semidesintegración.

Respecto a propiedades Biológicas: Período de semidesintegración biológico Se utilizarán radioisótopos con el menor período de decaimiento biológico posible.

Características de la Radiación: α, β, γ ó X.

(los radioisótopos administrados en clínica son en general tipo γ en caso de diagnóstico (o γ secundario en PET) o tipo ß e incluso α en terapéutica. POR QUÉ?

Daño biológico por radiación interna • Factores determinantes – Tipo de radiación que emita el radioisótopo – Dosis inicial – Decaimiento físico biológico (dependientes de la especie química y del radioisótopo) # T1/2 físico (0,693 / λf) T1/2 efectivo # T1/2 biológico (0,693 / λb) −(λ +λ )t A = A0 ⋅ e

T1/2 efectivo =

T1/2 físico x T1/2 biológico T1/2 físico + T1/2 biológico

f

b

1. Factores que determinan la magnitud del daño biológico 2. Clasificación de los efectos biológicos 3. Radiosensibilidad

Clasificación de los efectos biológicos producidos • PRIMARIOS: efectos físicos y fisicoquímicos inmediatos (del orden de los 10-6-10-13 seg.) – Acción Directa • Efectos térmicos • Efectos moleculares puntuales

– Acción Indirecta • Radiólisis del agua

• SECUNDARIOS: consecuencias biológicas de los efectos primarios (segundos-siglos)

EFECTOS INDIRECTOS

Predominantes para radiación de baja LET Predominantes para radiación de alta LET

EFECTOS DIRECTOS

Efectos Térmicos

Primarios

Acción Directa: Efectos moleculares puntuales Las moléculas ionizadas presentan un excedente de energía que provoca ruptura de enlaces covalentes en la región más inestable de la molécula

• Enzimas • Membranas • ADN

Daño al DNA Oxidación de bases Ruptura de doble cadena

Ruptura de simple cadena Daños múltiples localizados

¿Se producen radicales libres del oxígeno en células expuestas a radiaciones ionizantes? El contenido acuoso representa alrededor del 80% del peso de los organismos vivos RADIÓLISIS DEL AGUA

Tiempo de vida media de algunas especies reactivas Radical libre

Vida media

HO. RO. 1O 2 ONOONO. ROO.

10-9 s 10-6 s 10-5 s 0.05-1 s 1-10 s 7s

Mutaciones Son alteraciones del ADN no reparadas o mal reparadas. 1) Génicas: modificación de bases. 2) Cromosómicas: grandes alteraciones, visibles al microscopio. Cuando afectan a la información genética (no silenciosas), en la mayoría de los casos son letales. En un organismo pluricelular, las más graves son las que afectan a las células germinales.

La interacción de las RI con los sistemas biológicos responde a los mismos principios que se aplican para la interacción de las RI con la materia pero... las células cuentan con mecanismos que les permiten reparar el daño producido por las RI CONCEPTO DE DAÑO INICIAL Y DAÑO RESIDUAL

RUPTURA DE CADENAS Una dosis de 1 Gy (baja LET)

1000 rupturas simples (SSB) 30 a 40 rupturas dobles (DSB) por célula DAÑO INICIAL

Unas horas después: queda sólo un % mínimo de ese daño...

DAÑO RESIDUAL

Mecanismos de defensa y reparación • Dotación enzimática para sistemas de reparación: En bacterias sistema SOS (reparación frente a emergencias). En células eucariontes sistema SOS más sistema más fino. • Mecanismos de defensa antioxidante • Sistemas enzimáticos: SOD, CAT, GPX • No enzimáticos: vitaminas, carotenos, glutatión, ácido úrico.

Modulación de los efectos de los radicales libres •Los efectos de los radicales libres pueden ser regulados por: •Radioprotectores: •Reducen los efectos de la irradiación reaccionando con radicales libres y generando radicales poco reactivos. Contienen grupos SH o NH2 •Radosensibilizadores: Efecto del O2 •Incrementan los efectos de la irradiación. •El oxígeno es un oxidante. Si está presente en el momento de la irradiación aumenta el efecto de ésta.

Efectos Biológicos Secundarios Son alteraciones en la organización del ser vivo, consecuencia de los efectos fisicoquímicos primarios

Célula viable

Mutación reparada

Apoptosis , necrosis Muerte celular

Cáncer?

ADN Dañado Cel. Sobrevive mutada

Si aplicamos n decenas de kilorads (n.10.100000 erg/g), se produce la Muerte Celular Inmediata Si aplicamos n decenas de rads (dosis típicas en radioterapia) se produce la Muerte Celular Diferida

ES LA QUE CONSIDERAREMOS POR EL RESTO DE LA CLASE

Curvas de sobrevida celular

Curvas de sobrevida celular ¿Cómo se construye una curva de sobrevida

celular?

Se irradian cultivos celulares con distintas dosis. Se siembra un N° conocido de células por frasco y luego de 1 a 2 semanas se tiñen las colonias formadas y se cuentan las que tienen más de 50 células.

Número fijo de células sembradas Para dosis 0 y para Distintas dosis aplicadas

5 colonias iniciales

3 colonias = 3 células viables

X ejemplo: 10 días

Esto se realiza para dosis crecientes y se compara los resultados con los obtenidos sin irradiación. Definimos la tasa de supervivencia ´S´ S = N/No = e

N = No . e

– D/Do

– D/Do

No = Células supervivientes a dosis igual cero N = Células supervivientes a dosis D D = dosis aplicada Do = dosis que deja el 37% de supervivencia

Volvemos a : S = N/No = e

–D/Do

; N = No . e

– D/Do

Do define radiosensibilidad de las células Cuanto menor es D0 para un tipo celular dado, éste es más radiosensible S

S

1

1 0.37 0.1

0.37

Do

Lineal-Lineal

Dosis

0.01

Do

Lineal-Log

Dosis

Curva exponencial que responde a ecuación anterior (Bacterias)

Curva con hombro (mayoría de células de mamífero)

Curva quebrada (2 poblaciones con diferentes radiosensibilidades)

Para curva exponencial = Modelo de un solo impacto letal Esto implica: 1 impacto = Muerte Para curva con hombro = Modelo de n impactos subletales Cuando la dosis aumenta, cada incremento implica un aumento relativo de la tasa de mortalidad cada vez mayor. Este modelo implica que cada célula posee más de un blanco (n blancos), y que la muerte ocurre cuando se alcanzan TODOS los blancos.

Factores que determinan la magnitud del daño biológico Clasificación de los efectos biológicos Radiosensibilidad

Factores que modifican la Radiosensibilidad Celular -Contenido de ADN -Número de juegos de cromosomas - Complejidad del ADN, presencia de histonas. - Dotación enzimática para sistemas de reparación - Efecto condicionante del medio: principalmente O2. - Naturaleza de la radiación: EBR.

Factores que modifican la Radiosensibilidad Celular - Contenido de ADN : la radiosensibilidad disminuye al

aumentar el contenido de ADN debido a: (a) incremento de ADN no codificante, y (b) aumento de redundancia en la información genética. -Número de juegos de cromosomas: por ejemplo haploides vs. Diploides. - Complejidad del ADN, presencia de histonas.

EBR: Eficiencia Biológica Relativa El EBR sirve para comparar la eficacia de dos tipos de radiaciones para causar daño biológico. ¨Una Radiación A será x veces más eficaz que otra B si la dosis necesaria para provocar el mismo efecto biológico (por ejemplo muerte del 50% de las células) es x veces menor¨ EBR de A con relación a B se define por: DB

/ DA = x

El EBR aumenta con la capacidad ionizante de la radiación, siendo para a > ß > γ

Una definición más fisicoquímica del EBR que vieron en clases previas:

EBR: expresa cuanto ioniza una radiación dada respecto a otra tomada como patrón (radiación X de 100 keV).

EBR =

ionización por radiación A ionización por radiación X de 100 keV

Efecto condicionante del O2

Brown & Wilson, Nature Rev. Cancer, 2004

Efectos de dosis únicas frente a dosis repetidas • Si la dosis está fraccionada, los impactos subletales pueden repararse. Durante las dosis espaciadas se activan los sistemas de reparación. • Una dosis única es más efectiva que la misma dosis fraccionada.

Efectos de dosis únicas frente a dosis repetidas X X X

X X

X X

.

X X

4 dosis espaciadas

X

X

DOSIS UNICA

Dos Dosis (interv. Hs)

Ciclo Celular

(en células eucariontes)

Existe variación de la Radiosensibilidad a lo largo del ciclo celular:

Los períodos de mayor radiosensibilidad son M (MITOSIS) y G2 el de preparación para la mitosis. El período de menor radiosensibilidad es el fin de S.

Población Celular

En crecimiento: durante desarrollo; en cultivos; en adultos sólo en tumores En estado estacionario: tejidos normales del adulto.

Factores que condicionan la evolución de una población celular - duración media del ciclo

- Coeficiente de proliferación: células en ciclo / células totales (hay células en G0) - Pérdida celular (porque mueren, migran o se diferencian a otros tipos) Como resultado de esos factores tendremos un Tiempo de Duplicación.

Población en crecimiento - Primero Crecimiento Exponencial (tiempo de duplicación constante) - Luego el crecimiento se hace más lento porque se va alargando el tiempo de duplicación. Esto puede deberse a: un aumento en duración media del ciclo, reducción del coeficiente de proliferación, o aumento de pérdida celular.

Número de células

Crecimiento exponencial

Crecimiento restringido

108 106 104 102 1

tiempo

Efecto de una irradiación única sobre una población celular en crecimiento exponencial La evolución de la población luego de la irradiación es la resultante de la desaparición de células muertas (muerte diferida) y de la existencia de un tiempo de latencia para que se reinicie la multiplicación de las células supervivientes. Células supervivientes (se empiezan multiplicar luego de un período de latencia por retraso mitótico: arresto en G2)

latencia

Desaparición de células muertas (muerte diferida)

SI LAS CELULAS ENTRAN EN Go, “SALEN” DEL CICLO CELULAR. LUEGO SE PUEDEN DIFERENCIAR. ESTO LAS HACE MENOS RADIOSENSIBLES. LAS CELULAS QUE ESTAN CICLANDO, COMO LAS TUMORALES, SON MUY RADIOSENSIBLES.

RADIOSENSIBILIDAD: probabilidad de una célula, tejido u órgano de sufrir un efecto por unidad de dosis

LEY DE BERGONIE Y TRIBONDEAU (1906) Las células son más radiosensibles cuando

Son menos diferenciadas

Tienen mayor actividad proliferativa

Radiosensibilidad Ley de Bergonié y Triboneau (1906): La radiosensibilidad de un tejido es directamente proporcional a su capacidad reproductora e inversamente proporcional a su grado de diferenciación: En orden de radiosensiblilidad decreciente: 1.

Linfocitos

2.

Eritroblastos, granulocitos

3.

Mieloblastos

4.

Células epiteliales

5.

Células endoteliales

6.

Células del tejido conductivo

7.

Células tubulares renales

8.

Células óseas

9.

Células nerviosas

10. Células cerebrales 11. Células musculares

Dosis absorbida por todo el cuerpo de radiacion X o gamma (rads)

Naturaleza del efecto

5-25

Dosis mínima detectable por análisis cromosómicos u otros análisis especiales pero no por hemograma.

50-75

Dosis mínima aguda, fácilmente detectable (x hemograma) en determinadas personas. (Ejemplo, quien se presenta como posible caso de sobreexposición).

75-125

Dosis mínima aguda capaz de producir vómitos en un 10% de las personas irradiadas.

150-200

Dosis aguda capaz de producir incapacidad transitoria y claros cambios hematológicos en la mayoría de las personas expuestas.

300

Dosis letal media (muerte del 50% de individuos irradiados) por exposición única corta. (síndrome gastrointestinal).

A dosis mayores de 7000 rads tenemos síndrome del sistema nervioso central, con ataxia, descoordinación motora. La muerte ocurre en menos de 24 hs.

Efectos de Dosis Localizadas ORGANO

DOSIS ÚNICA EQUIV. (rad*)

1500r/10días

200 800

Amenorrea temporaria. Esterilidad. Amenorrea permanente. Esterilidad.

1500r/10días

50 800

Esterilidad temporaria. Esterilidad permanente.

Ovario

Testículos Médula ósea

EFECTOS EN ORGANOS IMPORTANTES

DOSIS FRACCIONADAS

5-10 días, a 25-75 r/día

2000

Inhibición de la hematopoyesis en la zona irradiada. Generalmente compensada por actividad medular de zonas no expuestas.

Riñon

2000r/30días 3000r/40días

800

Nefritis, hipertensión.

Estómago

1500r/20días 2500r/30días

1000

Atrofia de la mucosa. Anacidez.

Hígado

3000r/30días 4000r/42días

1500

Hepatitis.

Cerebro y médula espinal

5000r/30días 6000r/42días

2200

Necrosis, atrofia.

Pulmón

4000r/30días 6000r/42días

2200

Fibrosis, neumonía.

Algunas células sanguíneas se utilizan como marcadores de daño de sobreexposición

En la sobreexposiciones agudas el linfocito es la célula más radiosensible

Hasta cierto nivel de dosis hay recuperación

>

LETAL (NO SE RECUPERA)

LETAL (NO SE RECUPERA)

LETAL (NO SE RECUPERA)

Los efectos de la radiación sobre una variable biológica en función de la dosis se pueden dividir en:

• Determinísticos: Los efectos agudos de las radiaciones pertenecen a este grupo. 1.- Relación entre la magnitud del daño y la gravedad de la enfermedad (la dosis es directa). 2.- Los efectos se producen en un plazo relativamente breve (días). 3.- Existe un umbral.

• Estocásticos: 1.- Son menos frecuentes. 2.- Aparecen al azar, solo en algunos individuos (aún cuando la dosis haya sido alta). 3.- Estadísticamente no existe umbral de dosis o estos son muy difíciles de establecer.

Relación sigmoidea

• Efectos determinísticos

Similar fármaco Saturación

Efecto

Dosis Mínima Umbral

100%

Medida Potencia: D50 Ejemplos: • Linfopenia • Pérdida de pelo • Transtornos gastroint.

50%

Dosis 50%

Dosis

Dosis Umbral

• Efectos estocásticos Procesos probabilísticos

Efecto 150%

La probabilidad de ocurrencia aumenta con la dosis en forma lineal

100%

NO HAY UMBRAL Por lo tanto se espera que cualquier dosis por pequeña que sea tendrá efecto

50%

Dosis

Ejemplos: • Carcinogénesis • Mutaciones