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