Radiobiologia.

La radiobiología es la ciencia que estudia los efectos de la radiación ionizante sobre el tejido biológico, su objetivo es la descripción exacta de los efectos de la radiación en los seres humanos, para que así pueda utilizarse con más seguridad en el diagnostico y más efectiva en el tratamiento. 

Fenómenos radiobiológicos y sus etapas

Los fenómenos que se producen en el organismo tras la absorción de la energía de las radiaciones ionizantes son tanto las lesiones producidas como los mecanismos de reparación de las lesiones de las lesiones. 

La acción de las radiaciones ionizantes sobre el organismo está marcada por una serie de principios generales:

  • La acción es al azar (probabilística)
  • La acción no es selectiva
  • La lesión es inespecífica

La lesión aparece tras un periodo de latencia que es muy variable.

Los fenómenos radiobiológicos parten de una ley fundamental —–> Solo la energía absorbida actúa biológicamente.

  Interacción Fotoeléctrica ——>  absorción total ——>  daño biológico.

La cesión inicial de energía ocurre en un tiempo intensamente corto, aunque sea contacto mínimo los Rx interaccionan.

Los fenómenos radiobiológicos transcurren en etapas concatenadas y sucesivas, a partir de la absorción de la energía.

  • Etapa física: ionización.
  • Etapa físico-química: afectación de moléculas simples (H20)
  • Etapa bioquímica: afectación de moléculas complejas (ADN)
  • Etapa biológica: lesiones de células, tejidos y órganos.

Composición molecular del organismo humano.

80% agua

  • El agua es la molécula más abundante en el cuerpo y también la más simple, sin embargo, desempeña un papel particularmente importante en el suministro de energía a la molécula blanco, contribuyendo así los efectos de la radiación.

15% proteínas

  • En la producción de proteínas o síntesis proteicas se usan 22 aminoácidos
  • Las proteínas están constituidas por CHON

2% lípidos

  • Se componen, por lo general, de dos clases de moléculas menores, glicerol y acido graso.
  • Los lípidos son macromoléculas orgánicas compuestas por CHO

1% carbohidratos

  • Se componen únicamente por CHO

1% ácidos nucleícos

  • Son macromoléculas muy grandes y extremadamente complejas
  • Existen dos ácidos nucleícos importantes: ADN y el ARN

  • El ADN contiene toda la información hereditaria presente en la célula y, como es natural, si se trata de una célula germinal, toda la información hereditaria de un individuo. Se encuentra en el interior del núcleo.
  • El ARN está localizado principalmente en el citoplasma, encontrándose también en el núcleo.

1% otras

  • Elementos vestigiales y sales inorgánicas son especiales para un metabolismo adecuado.

Estructura del ADN

El ADN consiste en una columna vertebral compuesta de segmentos alternantes de desoxirribosa (un azúcar) y un fosfato.

Conectada a cada molécula de desoxirribosa existe una de cuatro bases orgánicas nitrogenadas diferentes

  • PURÍNICAS: adenina y guanina
  • PIRIMIDÍNICAS: timina o citosina

La combinación base azúcar fosfato se denomina nucleótido.

El conjunto de 3 pares de bases nitrogenadas se denomina codón.

En el ADN humano existen dos cadenas largas unidas a modo de escalera pos “travesaños” constituidos por la unión de las bases mediante enlaces de hidrogeno: adenina y timina o citosina y guanina.

EL ADN esta retorcido sobre un eje imaginario, Configuración de doble hélice.

Estructura del ARN

Recuerda a la del ADN

El componente azúcar es ribosa en vez de desoxirribosa y el uracilo sustituye a la timina como componente base.

El ARN forma una sola espira.

La célula humana

Los dos constituyentes principales son el núcleo y el citoplasma.

NÚCLEO

El principal componente molecular del núcleo es el ADN o material genético de la célula. El material genético cuya misión es dirigir las actividades de la célula es transmitir, a las células hijas, la información genética constituye los genes que están en los cromosomas.

En toda célula somática hay dos genes de cada tipo localizados en dos cromosomas distintos. Estos dos cromosomas (en pareja) son iguales en cuanto al tipo y secuencia de genes que portan.

El número de cromosomas en células somáticas es característico de cada especie, en la humana, hay 46 cromosomas en 23 parejas. Los miembros de cara pareja son iguales, pero las parejas son distintas unas de otras.

 

Los cromosomas en células germinales no se hallan agrupados por parejas. Esta es la razón por la que el número de cromosomas (y de genes) que hay en las células germinales es la mitad que en las somáticas. En la especie humana las células germinales contienen 23 cromosomas.

 

Todo cromosoma está compuesto por dos estructuras lineales denominados brazos, formados por una sucesión de genes en un orden determinado, unidos por un estrechamiento llamado centromero.

Cada gen es una secuencia de ADN encargada de la fabricación  de una determinada proteína.

La membrana nuclear es una estructura de doble pared que en algunos puntos está conectada al retículo endoplasmatico. La naturaleza de esa conexión controla el paso de moléculas, sobre todo el ARN, desde el núcleo hasta el citoplasma.

CITOPLASMA

El citoplasma constituye la mayor parte de la célula y contiene todos los componentes moleculares de gran cantidad excepto el ADN.

En el citoplasma se encuentran diferentes estructuras intracelulares.

El retículo endoplásmico es un canal o una serie de canales que permiten la comunicación entre el núcleo y el citoplasma.

Grandes estructuras: Mitocondrias. Su función es producir energía destinada a la célula.

Pequeñas estructuras: Ribosomas. Es el lugar donde se produce la síntesis proteica.

Pequeños sacos: Lisosomas. Contienen enzimas capaces de digerir fragmentos celulares.

Sáculos con disposición característica: Aparato de Golgi, cuya función es almacenar diferentes sustancias.

Todas estas estructuras incluyendo la célula misma están rodeadas de membranas.

 

La radiosensibilidad es la forma en la que se manifiesta la acción biológica producida por la radiación sobre una determinada población celular o tejido: Está determinada en cierto grado por su estado de madurez y su papel funcional. Datos experimentales demuestran que:

  1. El daño inicial sobre una célula por unidad de dosis es variable y dependiente intrínsecamente de dicha célula.
  2. Células de distintos tipos muestran diferente capacidad y eficacia en el proceso de reparación de las lesiones radioinducidas.
  3. Distintas células pueden tolerar distintos niveles desiguales de daño residual.

Las células constituyentes de los diferentes órganos / sistemas se caracterizan por su tasa de proliferación y su estado de desarrollo. Distinguiéndose en dos tipos: indiferenciadas (tronco o precursoras) y maduras.

Escala de radiosensibilidad

Las células presentan diferente grado de sensibilidad a la radiación, según la estirpe o línea celular. Tomando como punto de referencia la muerte celular, pueden clasificarse en cinco grupos de mayor a menos sensibilidad.

  1. Muy radiosensibles: leucocitos, eritroblastos, espermatogonias.
  2. Relativamente radiosensibles: Epidermis.
  3. Sensibilidad intermedia: células endoteliales.
  4. Relativamente radiosensibles: osteocitos, espermatozoides.
  5. Muy radiosensibles: fibrocitos, células musculares y nerviosas.

Ley de Bergonie y Tribondeau

Una célula es tanto más radiosensible:

  •  Cuanto mayor sea su actividad reproductiva.
  • Cuanto más largo sea su futuro de divisiones, cuantas más divisiones deba realizar para alcanzar su forma y funciones definitivas.
  • Cuanto menos definidas – diferenciadas sean su forma y función.

Las consecuencias de la radiación sobre las células pueden ser:

  • Muerte en interfase: La célula muere antes de entrar en mitosis.
  • Muerte mitótica: La célula mantiene su forma y sus funciones vitales salvo su capacidad de división.
  • Retraso mitótico: La célula que iba a entrar en mitosis la retrasa y, posteriormente, se recupera e inicia la mitosis.

La respuesta tisular a la radiación depende de:

  • La radiosensibilidad de las células que lo constituyen
  • La dinámica de la población celular en cuanto a su producción, diferenciación, envejecimiento y muerte natural. Este factor es de gran importancia.

 

Mitosis

Es la división de células somáticas, existe la duplicación de ADN y el resultado es la obtención de dos células hijas idénticas a la célula madre.

La podemos clasificar en cuatro fases

  1. Profase: Duplicación del ADN (La cromatina se hincha)
  2. Metafase: Formación de cromosomas (integrado pos 2 cromatides idénticas unidas por el centromero). Mapa cromosómico. Mayor radiosensibilidad.
  3. Anafase: Disposición de los cromosomas en el ecuador de la célula. Separación de las 2 cromatides que integran cada cromosoma y emigran a uno de los polos celulares.
  4. Telofase: Los cromosomas se desintegran, se vuelve a formar la cromatina. Al final se separan las dos células hijas.

Meiosis

Es la división de las células germinales (ovogonias y espermatogonias) para dar origen a óvulos y espermatozoides.

Consta de una duplicación de ADN en una primera fase y una segunda fase de división celular sin duplicación del ADN, el resultado son cuatro hijas con la mitad del material genético de la célula madre (óvulos y espermatozoides)

Se puede dividir en dos fases:

  • Meiosis I: Es como la mitosis, hay duplicación de ADN. La única diferencia es que un cromosoma con sus dos cromátides va hacia un polo celular y el duplicado hacia el otro.
  • Meiosis II: Es como una mitosis, pero no hay duplicación del ADN. En esta fase las cromátides de los cromosomas se separan y cada una de ellas va hacia un polo celular.

 

Mecanismos de la acción biológica de las radiaciones ionizantes.

 

Acción directa o teoría del impacto al blanco.

La acción directa de la radiación es consecuencia de las ionizaciones que se producen en los átomos que forman la molécula del ADN, fenómeno dominante  en radiaciones con alta transferencia lineal LET como partículas alba, beta y neutrones.

Explica la respuesta y en el momento y en el lugar del impacto.

Las consecuencias biológicamente dependerán de:

  • La importancia del blanco alcanzado
  • El numero de blancos impactados

Acción indirecta o teoría de los radicales libres.

La redición indirecta de la radiación es la interacción del haz de radiación con otros átomos y moléculas de la célula como el agua, produciéndose radicales libres que al difundir hasta la molécula de ADN, la dañan de manera indirecta.

El agua intracelular absorbe la energía del impacto, y se descompone, radiolisis del agua:

H2O (HOH) + fotón de rayos X = HOH+ + electrón

HOH+ electrón = HOH-

A partir de los iones OH- y H- que no tienen carga y que son altamente reactivos:

HOH+ = H+ + OH-

HOH- = OH- + H-

Explica la respuesta fuera del lugar del impacto y posteriores al impacto. También explica la apoptosis celular (muerte celular)

Los radicales libres pueden recombinarse formando agua, pero si se recombinan anormalmente forman peróxidos de hidrogeno (H2O2 ) con acción toxica.

Relación dosis de radiación / respuesta

1 Relación dosis repuesta lineales.

La relación dosis repuesta lineal se llama así porque la respuesta es directamente proporcional a la dosis.

Cuando la dosis de radiación aumenta el doble, también se dobla la respuesta a la misma.

a-      Las relaciones dosis repuesta  1 y 2 cortan el eje de dosis en el punto cero o por debajo de cero. Esas relaciones son, por tanto, del tipo lineal sin umbral. En una relación dosis-respuesta sin umbral, cualquier dosis, con independencia de su cuantía, produce una respuesta. En la dosis cero, la relación 1 muestra una respuesta medible RA. . El nivel RA se denomina nivel de respuesta ambiental o natural, e indica que la respuesta se produce incluso sin exposición a la radiación.

  • Producen efectos tardíos —–> efectos generales.

Acortamiento de la esperanza de vida: 10 días por cada 0,01 Gy

Neoplasias: Leucemia, cáncer de tiroides, mama, pulmón, hígado hueso y piel. Difícil establecer la relación directa entre radiación y cáncer.

  • Producen efectos tardíos ——-> Efectos locales.

Piel: callosidad y descamación (Radiodermitis)

Alteraciones cromosómicas

Catarata: En radiodiagnóstico sin protección o hay riesgo, sin embargo en radioterapia sí que existe el riesgo, depende de la edad, tienen más riesgo las personas mayores.

  • Efectos en el feto durante el embarazo

b-      Las relaciones dosis-respuesta 3 y 4 se identifican como lineales con umbral, debido a  que cortan el eje de dosis en algún valor mayor que cero. Las dosis umbral para 3 y 4 Dc y Dd respectivamente. A niveles de dosificación por debajo de esos valores NO se produce ninguna respuesta. La relación 4 tiene una pendiente más pronunciada que la 3; así pues, por encima de la dosis umbral, cualquier amento de la dosis producirá una respuesta mayor si sigue la relación 4 que sigue la relación 3.

  • Producen efectos precoces ——> efectos generales

              Síndrome por radiación aguda:

              Síndrome meníngeo

              Nauseas y vómitos graves

              Hemorragias, infecciones, anemia y diarrea.

Dosis letal 50/60: Radiación total corporal que causa la muerte al 50%                                  de los sujetos irradiados en un plazo de 60 días.

Una dosis mayor a los 10 Gy la muerte es irremediable y menos a 1 Gy no hay muerte

  • Producen efectos precoces——–> Efectos locales.

             Piel: eritema y descamación (radiodermitis)

             Medula ósea: eritropenia, plaquetopenia y linfopenia.

             Gonadas: Esterilidad y/o castración en el hombre y esterilidad y castración en la mujer.

              Efectos criogénicos: Alteraciones cromosómicas en células madre. Se producen inmediatamente y se   manifiestan tarde.

2 Relaciones dosis repuestas no lineales

a-      Todas las demás relaciones dosis-respuesta se definen como no lineales. Las curvas 1 y 2 son no lineales sin umbral:

  • En la relación 1 se obtendrá una gran respuesta con muy poca dosis de radiación. 1 niveles de dosificación elevados, la radiación no es tan eficaz, ya que un incremento produce menos daño relativo que el mismo incremento a niveles de dosificación bajos.
  • En la relación 2 sucede exactamente lo contrario. El aumento de dosis es el rango de dosificación baja origina muy poco cambio en la respuesta. Sinn embargo, con alta dosis, el mismo aumento producirá una respuesta mucho mayor.

b-      La curva 3 corresponde a una relación no lineal con umbral:

A dosis por debajo de Dc no se producirá respuesta mensurable. Conforme aumenta la dosis por encima de Dc se hace cada vez más efectiva, hasta alcanzar el valor correspondiente al punto de inflexión de la curva. Por encima de ese nivel, el aumento de la dosis resulta menos eficaz. La relación 3 se llama a veces relación dosis-respuesta de tipo S o tipo sigmoide.

a-      Todas las demás relaciones dosis-respuesta se definen como no lineales. Las curvas 1 y 2 son no lineales sin umbral:

  • En la relación 1 se obtendrá una gran respuesta con muy poca dosis de radiación. 1 niveles de dosificación elevados, la radiación no es tan eficaz, ya que un incremento produce menos daño relativo que el mismo incremento a niveles de dosificación bajos.
  • En la relación 2 sucede exactamente lo contrario. El aumento de dosis es el rango de dosificación baja origina muy poco cambio en la respuesta. Sinn embargo, con alta dosis, el mismo aumento producirá una respuesta mucho mayor.

b-      La curva 3 corresponde a una relación no lineal con umbral:

A dosis por debajo de Dc no se producirá respuesta mensurable. Conforme aumenta la dosis por encima de Dc se hace cada vez más efectiva, hasta alcanzar el valor correspondiente al punto de inflexión de la curva. Por encima de ese nivel, el aumento de la dosis resulta menos eficaz. La relación 3 se llama a veces relación dosis-respuesta de tipo S o tipo sigmoide.

Tipos de efectos de la radiación sobre los seres vivos.

Según el tiempo de aparición

  • Efectos precoces: Aparecen en minutos u horas después de haberse expuesto a la radiación, por ejemplo eritema cutáneo o nauseas. Reciben mayor dosis en menos tiempo, aparecen en días o semanas, se pueden dar en accidentes nucleares o tratamientos de radioterapia.

               Dosis con umbral ——>  Deterministas.

              Cuanta mayor sea la dosis mayor es la gravedad.

  •  Efectos tardíos: Aparecen meses u años después de la exposición, por ejemplo cáncer radioinducido, radiodermitis crónica o mutaciones genéticas.

              Reciben menos dosis en mayor tiempo, aparecen en años y se pueden dar en radiodiagnóstico y en tratamiento de radioterapia y medicina nuclear.

               Dosis sin umbral —–> Estocásticos.

               Hay mayor probabilidad de aparición cuanto mayor sea la dosis, los efectos siempre son graves.

Desde el punto de vista biológico

  • Efectos somáticos: solo se manifiestan en el individuo que ha sido sometido a la exposición de radiaciones ionizantes por ejemplo el eritema.
  • Efectos hereditarios: No se manifiestan en el individuo que ha sido expuesto a la radiación, sino en su descendencia, ya que lesiona las células germinales del individuo expuesto, por ejemplo mutaciones genéticas.

Según la dependencia de la dosis:

  • Efecto estocástico, probabilística, no determinista: Son efectos absolutamente aleatorios, probabilísticas. No necesitan una dosis umbral determinada para producirse; si bien al aumentar la dosis aumenta la probabilidad de aparición de estos efectos, que suelen ser de tipo tardío y graves. La relación dosis-respuesta es lineal sin umbral. Son efectos estocásticos el cáncer radioinducido y las mutaciones genéticas.
  • Efecto determinista, no estocásticas, no probabilístico: Se necesita una dosis umbral para producirlos, por debajo de la cual, la probabilidad de aparición de los mismos es muy baja, la gravedad de los mismos aumenta con la dosis. La relación dosis-respuesta es lineal con umbral. Suelen ser efectos precoces, por ejemplo eritema cutáneo.

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