Transcript 7 Efectos biológicos de la radicación

La radiación y los seres vivos
Curso Directores Instalaciones RX
H.U.C.A.
Oviedo 2010
Miguel A. Peinado Montes
Sº Física Médica y P.R. - H.U.C.A.
Protección Radiológica
Valorar la existencia de un riesgo asociado
al uso de las radiaciones ionizantes (rr.ii.).
Comprender la responsabilidad y potestad
del especialista para tomar las decisiones
necesarios a la hora de utilizar técnicas que
impliquen dichas rr.ii.
Protección Radiológica
 Evidencias
∟Daño provocado por las rr.ii.
 Ciencia básica
∟ADN, energía y tejidos
∟Factores
 Efectos somáticos
∟Clasificación
Evidencias
 Los efectos biológicos de las rr.ii. se conocen
desde poco después del descubrimiento de
los isótopos o de los rayos X
∟ Probabilísticos
∟ Conllevan una latencia
∟ Inespecíficos
∟ Siempre lesivos
1906: Bergonié y Tribondeau enuncian sus leyes
1904: Muere M. Dally como resultado de las radiaciones
1898: Tratamiento de un lupus con rayos X
Nov 1898: Confirmación del origen radiológico de las lesiones observadas
Abr 1896: Se informa de la primera epilación por irradiación
Mar 1896: Comienzan las demostraciones (Edison + Dally)
Radiaciones (ionizantes)
190.000 víctimas en
una población de
590.000
4000 víctimas
5000 previstas en
regiones contaminadas
…y muchas más evidencias…
Chronic skin injury due to
cumulative skin dose of ~20 Gy
from coronary angiography and
2 angioplasties
RT: 50 Gy + 1 Gy
SUPERVIVIENTES DE EXPUESTOS
A BAJAS DOSIS
EXCESO DE
CÁNCER (%)
10
TAC PEDIÁTRICO
8
6
4
2
0
DOSIS EFECTIVA mSv
25
50
75
10
0
125
150
D.J. Brenner AJR 2001
Radiación Solar
Fuentes de radiación Rayos Cósmicos
Medicina
Nuclear
Rayos X
Radón


Productos
Consumo
Humana
Residuos
Radiación
Terrestre
Centrales
nucleares
Alimentación

Fuentes artificiales
 Dosis debidas al diagnóstico médico*
Radon 2 mSv (55%)
Cósmica 0.27 mSv (8%)
Rocas/suelo 0.28 mSv (8%)
Alimentación 0.4 mSv (11%)
Rayos X 0.4 mSv (11%)
Medicina Nuclear 0.14 mSv (4%)
Productos consumo 0.1 mSv (3%)
Otras fuentes <0.01 mSv (<1%)
(incluidas centrales nucleares)
 Actualmente en los paises desarrollados se
estima que la dosis debida al radiodiagnóstico es
de 0.8 – 1.0 mSv
(*) UNSCEAR 2000
Fuentes artificiales
 No es ético negar a un paciente el
acceso a la asistencia médica
 Impacto de las irradiaciones con fines
diagnósticos*
 Causa de entre el 0,6% y el 1,8% (según pais)
del riesgo de contraer cáncer en personas de
hasta 75 años.
 Hasta el 30% de los RX tórax pueden no estar
indicados.
(*) A. Berrington de González, S. Darby. The Lancet 363(9406) pp. 345-351 (2004)
¿Qué hacer?
 Resonancia social
 Estudio epidemiológico inviable(1)
 Ciencia básica
a)
b)
c)
d)
e)
Lineal
Aumento riesgo
Disminución riesgo
Umbral
Hormesis
 Princ. de prudencia
(1) Brenner et al. PNAS 2001
5.0 mSv
100mSv
Ciencia básica
Por qué
∟ Teoría del blanco
∟ Factores que influyen
∟ Células y tejidos
Radiaciones Ionizantes
 Los rayos X se caracterizan por su capacidad
para ionizar la materia que atraviesan.
 El átomo resultante (ión) es químicamente
activo
13
Teoría del blanco
 La radiación impacta sobre “blancos”
insustituibles celulares (ADN).
∟ Identifica el origen del daño biológico
∟ Determina la naturaleza probabilística
del daño
 El daño biológico se produce por la
creación de radicales libres en el medio
acuoso celular.
∟ Explica la incidencia de efectos biológicos
según la dosis
Etapas del daño celular
 Física. Se deposita la energía en:
∟ADN
∟Orgánulos
∟Proteinas libres (enzimas…)
∟Medio acuoso (70% - 85%)
 Química
∟producción de “pre” radicales del agua (H2O+, H20●
y esub)
∟Reducción radicales del agua
∟Producción radicales libres
 Biológica
∟ Ruptura del ADN
∟Reparación
∟Replicación
Etapa biológica
 Las lesiones radioinducidas en el ADN son diversas: roturas,
cambios en las bases, uniones cruzadas
 En algunos casos, las lesiones en el ADN se traducen en aberraciones
cromosómicas, cuyo recuento puede utilizarse para estimar la dosis
absorbida (dosimetría biológica)
Rotura de puentes
de hidrógeno
Dímero de bases
pirimidínicas
Unión cruzada
DNA-DNA
Unión cruzada
DNA-proteína
Tipo rotura
Frecuencia
(por Gy)
Simple
(subletal)
500 – 1000
40
Rotura de la
hebra simple
Doble
(Letal)
Bases nitr.
800 – 1000
Cambio de bases
U. cruzada
150
Rotura de la doble hebra
Pérdida de bases
Otros
Etapa biológica (reparación)
 Reparación de bases dañadas
∟ Escisión de bases
∟ Escisión de nucleótidos
 Reparación de roturas simples de cadena
∟ Mediante escisión de bases
∟ Gen que codifica el enzima nuclear PARP-1
 Reparación de roturas dobles de cadena
∟ Recombinación de cromosomas homólogos
∟ Genes que codifican ku70, ku80, DNA-PCK, ligasa iV,
Xrcc4 además de ATM y ATR. También BCRA1 y BCRA2.
∟ Unión de extremos no homólogos
 Mecanismos de reparación variables en velocidad, capacidad y
fidelidad
 Predisposición genética a la radiosensibilidad o radioresistencia
 Explican parcialmente la diferencia de radiosensibilidad de las distintas
poblaciones celulares
El ciclo celular




G1=Reposo: se replican las componentes nucleares
S=Sintesis: Del ADN durante los últimos 2/3
G2=Reposo: Previo a la división celular
M=mitosis: División celular
Mayor sensibilidad
a la radiación
Factores que influyen en el daño biológico
 Factores físicos:
∟LET (Transferencia Lineal de Energía).
∟Tasa de dosis.
∟Fraccionamiento de dosis (RT).
 Agentes químicos:
∟Radiosensibilizadores (O2: rad libres).
∟Radioprotectores: cisteína y cisteamina
(grupo –SH).
 Factores biológicos:
∟Momento del ciclo celular (tiempo para
reparar las lesiones).
∟Genéticos (capacidad para reparar las
radiolesiones).
Factores físicos
 LET (Transferencia Lineal de Energía)Dosis equivalente
• Masa
Ligeras
Pesadas
• Carga (+, -)
Fracción de supervivencia
Tasa de dosis
1
Fraccionamiento de dosis
1
Tasa de dosis baja
(10 rads/min)
D1 (Dosis en 1 fracción)
D2 (Dosis en 2 fracciones)
D3
(Dosis en 3 fracciones)
en 4
D4 (Dosis
fracciones)
0,1
0,1
en 5
D5 (Dosis
fracciones)
Tasa de dosis alta
(100 rads/min)
0,01
0,01
Dosis
Dosis
Magnitudes y Unidades
 Dosis absorbida: Energía depositada
por unidad de masa
◦ D = dE/dm;
[D] = Gy
 Dosis equivalente: Dosis absorbida
ponderada por el tipo de radiación
◦ HT =
SR wR.DT,R;
[HT] = Sv
 Dosis efectiva: Dosis equivalente
ponderada por los tejidos irradiados
 E = ST wT.HT;
[E] = Sv
Detección y medida de la
22
Absorbida
Cantidad
de agua que
te alcanza
** * * * *** ***
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
* * * * * * * * * * * * *** * **** * * *
* * * * ** *** *
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
* * * * * **** * * * * * **** ** ** *** ** * * *
*
*
*
*
*
*
*
*
* **** * **** **** **** * **** *** ** * * ***** *****
*
*
*
* Equivalente
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
• Agua
* ***** ** ** ** * * ** * * **** *** ** **
*
*
*
* * * ****
* * * ****
*
*
• Granizo
*
*
*
* *
** * * * * * ** ** * * *
• Pedrizo
Efectiva
Parte del
cuerpo donde
impactan
23
Otros mecanismos de daño celular
 Respuesta adaptativa
∟Una dosis dada causa un menor daño biológico
si fue precedida por una dosis baja y un
periodo suficiente de reposo.
Dosis
condicionante
Dosis
provocadora
Dosis
Dosis
condicionante provocadora
Efecto
Efecto
Efecto
Otros mecanismos de daño celular
 Efectos no dirigidos
∟ Inestabilidad genómica: El efecto causado es
sobre los genes que codifican los mecanismos
de replicación con lo que aumenta la
probabilidad de daño en la progenie.
∟Efecto de vecindario (bystander): Efectos
observados en células adyacentes que no han
sufrido irradiación.
Daño celular
Reparació
n
Cepa
inviable
(necrosis)
Mitosis
Mitosis
Línea celular
inocua
Cepa viable
Línea celular “anómala”
Carcinogéne
sis
Anomalí
a
Línea celular
normal
Memori
a
Eliminación por
el sist.
inmunológico
Efectos somáticos
 Cuanto más indiferenciada sea la célula que sufre la
irradiación.
 Cuanto más actividad mitótica tenga la célula
PONDERACIÓN DE LOS DISTINTOS
ÓRGANOS SEGÚN SU
RADIOSENSIBILIDAD, wT, ICRP-60 :
0,01
0,05
0,12
0,20
Hueso
Vejiga
Médula ósea Gonadas
Piel
Mama
Colon
Hígado
Pulmón
Esófago
Estómago
Tiroides
Resto
SUMA = 1
Efectos somáticos
 Muy Bajas dosis
• Pocas interacciones
• 1 por célula
 Bajas dosis
• Más interacciones
• Álgunas células sufren
varios impactos
 Dosis medias
 Algunos genes sufren
varias interacciones
 Dosis áltas
• Muchas células afectadas
• Varias interacciones/gen
Efectos somáticos
 Muy Bajas dosis
• Pocas interacciones
• 1 por célula
 Bajas dosis
• Más interacciones
• Álgunas células sufren
varios impactos
 Dosis medias
 Algunos genes sufren
varias interacciones
 Dosis áltas
• Muchas células afectadas
• Varias interacciones/gen
Efectos somáticos
 Muy Bajas dosis
• Pocas interacciones
• 1 por célula
 Bajas dosis
• Más interacciones
• Álgunas células sufren
varios impactos
Daño subclínico*

Efectos
probabilísticos
 Dosis medias
 Algunos genes sufren
varias interacciones
 Dosis altas
• Muchas células afectadas
• Varias interacciones/gen
Daño clínico

Efectos
deterministas
Tipos de efectos
 Deterministas o no estocásticos
∟ Dosis relativamente elevadas, daño funcional
∟ Tienen una dosis umbral
∟ La gravedad del efecto aumenta con la dosis
∟Tiempo de latencia “corto”
 Estocásticos o probabilísticos
∟ Dosis bajas, sin daño funcional
∟No tienen umbral de dosis
∟ Su probabilidad aumenta con la dosis
∟ La gravedad del daño no depende de la dosis.
∟Tiempo de latencia largo (> 5 años)
 Hereditarios vs. somáticos
Efectos deterministas

Según dosis
•
•
•


Altas (>10 Gy).
Moderadas (1 -10 Gy).
Bajas (<1 Gy).
Reparación (cicatriz) vs regeneración (nuevas
células).
Cambios
•
•
Iniciales (< 6m): reversibles o irreversibles.
Inflamación, edema y hemorragia.
Tardíos: permanentes, irreversibles y progresivos.
Fibrosis, atrofia, ulceración, necrosis... Según
latencia (agudos y tardios)
 Dependen del tejido irradiado
Efectos deterministas
Periodo de
latencia
aproximado
Umbral
aproximado
(Gy)
Dosis
efectos
severos
Tejido
Efecto
Sistema
hematopoyético
Infecciones
Hemorragias
2 semanas
0,5
2,0
Leucopenia
Plaquetopenia
Sistema Inmune
Inmunosupresión
Infección sistémica
Algunas horas
0,1
1,0
Linfopenia
Sistema
gastrointestinal
Deshidratación
Desnutrición
1 semana
2,0
5,0
Lesión del epitelio
intestinal
Piel
Escamación
3 semanas
3,0
10,0
Testículo
Esterilidad
2 meses
0,2
3,0
Daño en la capa
basal
Aspermia celular
Ovario
Esterilidad
< 1 mes
0,5
3,0
Muerte interfásica
del oocito
Pulmón
Neumonía
3 meses
8,0
10,0
Fallos en la barrera
alveolar
Cristalino
Cataratas
> 1 año
0,2
5,0
Fallos en la
maduración
Tiroides
Deficiencias
metabólicas
< 1 año
5,0
10,0
Hipotiroidismo
Sistema nervioso
central
Encefalopatías y
mielopatías
Muy variable
según dosis
15,0
30,0
Demielinización y
daño vascular
© CSN– 2009
Causa
36
Síndrome de irradiación aguda
 Respuesta de todo el organismo a la irradiación
 Dosis letal porcentual en función del tiempo (DL
50/30).
 ETAPAS:
1º) Prodrómica: N, V y diarreas, cefaleas, vértigo,
taquicardia, irritabilidad, insomnio. Minutos hasta
días.
2º) Latente: Ausencia de síntomas. Horas hasta
semanas.
3º) Enfermedad manifiesta:
del sistema lesionado.
Síntomas en función
Efectos estocásticos
• Cáncer
• Hereditarios
(genéticos)
Fundamentos de Protección
41
Efectos estocásticos
 A. Berrington de González, S. Darby. The Lancet
363(9406) pp. 345-351 (2004)
∟ Impacto de las irradiaciones con fines diagnósticos
• Causa de entre el 0,6% y el 1,8% (según pais) del riesgo de
contraer cáncer en personas de hasta 75 años.
• Hasta el 30% de los RX tórax pueden no estar indicados
 Estudios Epidemiológicos
∟ Altas dosis ( > 100 mSv)
∟ “Bajas dosis”  Muestra ~107
a)
b)
c)
d)
e)
Lineal
Aumento riesgo
Disminución riesgo
Umbral
Hormesis
 Principio de prudencia
Fundamentos de Protección
42
3,5 mSv
100mSv
Efectos…
EFECTOS ESTOCÁSTICOS HEREDITARIOS
 Se ponen de manifiesto en la descendencia del individuo
irradiado.
 No se ha demostrado en humanos que la radiación induzca
enfermedades hereditarias. Si hay datos en animales de
laboratorio y plantas.
 La estimación del riesgo de efectos hereditarios se realizada
mediante el método de “Dosis Dobladora” (DD).
DD: Dosis necesaria para producir tantas mutaciones como las
que ocurren espontáneamente en una generación.
DD= 0,82 ± 0,29 Gy
Efectos sobre el feto y el embrión
Efectos: letalidad o anomalías
congénitas manifestadas al nacer o
tardíamente (no heredadas).
Retraso mental (proporcional  CI).
Inducción tumoral (leucemia): 1er Trim.
Mutación en padres (o abuelos) y
“transmitido” (genético, heredado).
Efectos sobre el feto y el embrión (2)
Según momento de gestación (organogénesis: 1er T).
PERIODO DE
GESTACIÓN
Inicio de embarazo
2ª-8ª semanas
8ª-15º semanas
26º sem - Final
RIESGOS MÁS
DESTACADOS
Aborto espontáneo
Malformaciones fetales
Retraso mental
Escaso riesgo
Dosis
umbral
1,0 Gy
0,5 Gy
0,4 Gy
Efectos sobre el feto y el embrión (3)
 Probabilidad de tener un hijo sano en
función de la dosis de radiación:
Dosis absorbida por
el embrión/feto
(mGy)
0
0.5
1
2.5
5
10
50
100
Probabilidad de NO
Probabilidad de NO
sufrir
desarrollar cáncer
malformaciones (%) entre 0 y 19 años (%)
97
97
97
97
97
97
97
próximo a 97
99.7
99.7
99.7
99.7
99.7
99.6
99.4
99.1
RESUMEN (1)
En la interacción de las RI con la materia...
 Interacción probabilística
 No selectiva en la célula
 Lesiones inespecíficas
 Periodo de latencia
 Siempre “lesivas”
Leyes de Bergonié-Tribondeau
(RI más dañina sobre células)
 En mitosis
 No diferenciadas
 Largo futuro de divisiones
RESUMEN (2)
 La radiación impacta sobre “blancos” insustituibles
celulares (ADN).
 Influye aún más el efecto en el medio acuoso celular
(radicales libres) que luego reaccionan con el ADN
 Existen multitud de factores que influyen:
∟ Físicos (LET)  Dosis equivalente
∟ Químicos (Radiosensibilizadores, radioprotectores)
∟ Biológicos  Dosis efectiva
RESUMEN (3)
DETERMINISTAS
ESTOCÁSTICOS
Sí
NO (cualquier mínima
radiación puede
producirlos).
Aparición de lesión
100% a partir del umbral.
Probabilística, aumenta con
la dosis. Curva sigmoidea
según “teoría del impacto”.
Gravedad del efecto
Aumenta con dosis
No depende de la dosis
Ejemplos
Cataratas (cristalino).
Lesión hematopoyética.
Dermatitis (eritema,
descamación, depilación,
fibrosis, pigmentación)
Cáncer de diferente
localización.
Mutaciones genéticas
hereditarias (descendencia).
Control
Fácil control, con
radioprotección.
Difícil. Evitar exposición.
Carácter del efecto
Previsibles
Imprevisibles
Lesión específica
NINGUNA, son inespecíficas
NINGUNA
Umbral
Conclusiones (2)
 El riesgo para el individuo es muy
pequeño
∟Gracias a la puesta en marcha de un
sistema de Protección Radiológica
∟Gracias a la buena práctica de los
profesionales
∟Nunca supera al beneficio
 La incidencia sobre la población en su
conjunto sí es relevante
Preguntas
Miguel A. Peinado Montes
Sº Física Médica – HUCA
985.10.61.38