sábado, 13 de agosto de 2016

FISICA Y QUIMICA DE LA ABSORCION DE LA RADIACION INDIRECTAMENTE IONIZANTE EN UN MEDIO BIOLOGICO





Importancia de la radiación electromagnética en el daño biológico






Una taza de café ofrece 67 calorías a quien la consuma, lo mismo que 4 Gy producirían al ser depositados en el cuerpo humano si este se irradiara a cuerpo entero. La diferencia, a pesar de que los dos fenómenos ofrecen una misma cantidad de energía, se encuentra en las consecuencias  que estas dos formas de transmitir energía producen. Mientras que la taza de café nos produciría un efecto agradable en una mañana fría, los 4 Gy de radiación a cuerpo completo podrían producir la muerte de un sujeto con el 50 % de probabilidades.

Debemos aclarar que este efecto tan devastador en el ser humano en su mayoría se presenta solamente con radiaciones de naturaleza electromagnética(al menos en el ambiente de la radiología médica). Se debe a que este tipo de radiación posee frecuencias muy altas y es capaz de penetrar profundamente en todo el espesor del organismo.

“La potencia de los rayos X, entonces, es una función no solo de la energía total absorbida, sino también del tamaño de los paquetes individuales de energía”


PARADIGMA DEL DAÑO BIOLOGICO


Según el paradigma del daño biológico el trastorno de las funciones biológicas es significativa cuando se ve afectada el ADN de la célula. Dicho de otro modo si la molécula que codifica la información bilógica de la célula se ve afectada sensiblemente entonces es muy probable que este daño a nivel molecular se evidencie por un fallo en las funciones de los tejidos, órganos e incluso a nivel sistémico según sea la gravedad de la irradiación.
La radiación ionizante produce precisamente iones en los tejidos irradiados. Pensemos en la formación del clásico par iónico: un anión que es un electrón desorbitado y un catión que es el átomo que perdió el electrón. Los electrones por su tamaño y por la energía que adquirieron al ser impactados por la radiación desencadenan dos vías diferentes que terminan afectando la estructura del ADN. Un electrón en este tipo de situación puede ejercer una acción directa o indirecta sobre la estructura del ADN, veamos esto con más detalle.
Acción directa: el electrón desorbitado coaliciona con la molécula del ADN rompiéndola. Puede romper una o las dos hebras de ADN según sean las energías y condiciones del choque. En este tipo de acción un ion en este caso el electrón descarga su energía rompiendo las moléculas que encuentra en su camino. El electrón acelerado posee un marguen de probabilidades de romper una molécula de ADN aunque es bastante bajo, cuando se trata de una fuerte irradiación se producen millones de ionizaciones con lo cual la probabilidad de que un electrón desorbitado choque contra una hebra de ADN aumenta considerablemente.  La acción directa se puede establecer ya sea como consecuencia de la ionización de radiación electromagnética de altas energías(al desencadenar una cascada de electrones) o debido a una radiación corpuscular por ejemplo una radiación electrónica.
Acción indirecta: el electrón desorbitado puede provocar la radiolisis del agua de modo que se producen abundante cantidad de radicales libres(moléculas altamente inestables). Los radicales libres  son diferentes tipos de moléculas entre ellas las que se forman por desprendimiento de un electrón de la molécula de agua. Estos radicales libres pueden ocasionar graves daños sobre las estructuras moleculares de la célula. Los radicales libres afectan principalmente a la membrana celular y a la molécula de ADN.
La acción directa e indirecta de los iones formados durante la irradiación lesiona ligera o gravemente a la molécula de ADN. La célula afectada inicia diferentes mecanismos de respuesta frente a esta situación que dependen de la gravedad de la lesión en la molécula de ADN.
Existen fundamentalmente tres tipos diferentes de respuesta celular frente al daño de la molécula de ADN:
No existe reparación: ocurre cuando el efecto es letal  y desencadena la necrosis de la célula afectada macroscopiacamente se presenta una patología celular.
Reparación defectuosa: ocurre cuando los mecanismos de reparación no han corregido adecuadamente los trastornos causados por la irradiación. Aunque la célula no muere esta sufre cambios constitucionales que la hacen diferente que las de más células del tejido afectado. Puede presentarse dos posibilidades:
Mutación no letal: la célula sobrevive y presenta cambios importantes en su estructura molecular. Este tipo de cambios provocan anomalías hereditarias o cáncer.
Apoptosis: la célula afectada sobrevive una mitosis pero cuando el sistema de mantenimiento de la célula detecta anomalías peligrosas acciona un mecanismo para destruir la célula al cual denominamos apoptosis 
Reparación correcta: la célula es capas de reparar adecuadamente el ADN y sigue viviendo normalmente e incluso puede llevar a cavo la mitosis sin ningún problema.
Por lo explicado más arriba podemos dividir a todo el proceso del daño biológico en tres etapas:

Etapa física: se consideran en esta etapa a la irradiación, el deposito de dosis, la producción de iones y la radiolisis del agua.
Etapa química: se considera en esta etapa a la producción de radicales libres y al daño molecular al ADN
Etapa biológica: se considera en esta etapa a todos los mecanismos celulares que se presentan como una respuesta al daño del ADN.

En la imagen que se muestra arriba se observa como los efectos físicos y químicos ocurren en periodos de tiempo muy cortos mientras que algunos efectos biológicos pueden durar horas e incluso días y años. Debemos recordar que los efectos de la radiación van a depender de la dosis recibida por el tejido.

Según el nivel de dosis absorbida se evidenciaran los efectos biológicos a nivel macroscópico. Estos efectos incluyen por ejemplo la fibrosis o daño medular entre muchos otros.
Los daños de la radiación según la dosis que reciba el organismo se pueden dividir en dos categorías:
EFECTOS BIOLOGICOS DETERMINISTICOS: solo se presentan con una determinada cantidad de dosis. En otras palabras cuando se puede determinar la cantidad de dosis a la que se presenta un efecto “determinado” entonces se dice que es un efecto biológico determinístico. Un ejemplo de ello es la alopecia que se presenta cuando el paciente es irradiado con una determinada cantidad de radiación (20 Gy).

EFECTOS BIOLOGICOS ESTOCASTICOS: no se puede determinar la cantidad de dosis para producir un efecto. En este caso se habla de efectos probabilísticos.
Debemos señalar que en cualquier procedimiento radiológico de carácter medico la dosis suministrada no es capaz en ningún momento de producir un efecto determinístico. Se ha establecido actualmente que el punto de corte entre los efectos determinístico y estocásticos en dosis es 100 mSv  (dosis equivalente). Esto quiere decir que a partir de 100 mSv las radiaciones tienes un efecto marcadamente determinístico mientras que radiaciones que dejas dosis menores a este valor solo producen efectos probabilísticos tales como por ejemplo el cáncer.
A propósito del cáncer producido por radiación ionizante diremos que una de las formas de aparición con la que se relaciona la radiación ionizante es el daño a los genes que producen proteínas implicadas en el control del ciclo celular. Recordemos que existen proteínas responsables de la reproducción celular. Si estos mecanismos fallan entonces la célula se reproduciría por mitosis descontroladamente desencadenando así el cáncer.
Según las normas vigentes la máxima radiación que puede recibir el personal ocupacionalmente expuesto es de 20 mSv al mes.  

ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNETICA Y SUS EFECTOS EN EL MEDIO BIOLOGICO






La atenuación es el resultado de la absorción y la dispersión de la energía radiante cuando atraviesa un medio material como por ejemplo, en nuestro caso, los tejidos del cuerpo humano.
La absorción significa fundamentalmente transferencia de energía, en este caso energía de radiación, al medio con el que interactúa esta energía. El efecto Copmton y el efecto fotoeléctrico principalmente se presentan durante la absorción de la energía. Sabemos ya que a través de estos dos fenómenos el cuerpo irradiado es ionizado de tal forma la transferencia de energía se presenta como una consecuencia lógica. La dispersión de fotones se produce por el choque de estos con un medio material capaz de ofrecer oposición a la energía de radiación. Por lo tanto la atenuación dela radiación constituye el resultado de la absorción y la dispersión de la radiación cuando interactúa con un medio capaz de ofrecer resistencia al paso de la radiación.


En la imagen de arriba observamos como la energía electromagnética de altas frecuencias ioniza la materia provocando una cascada de electrones. Durante todo este fenómeno físico se produce la atenuación de la radiación ionizante.

En consecuencia diremos que la atenuación es el fenómeno físico al cual debemos dirigir toda nuestra atención ya que es el responsable de los efectos ionizantes de la radiación y por lo tanto de posible daño que pueda producir al tejido biológico. Si se presenta el daño en el tejido biológico esto quiere decir que a niveles moleculares las células han sufrido un trastorno importante. Estos cambios se presentan fundamentalmente en la macromolécula que contiene la información de nuestras células. El ADN es por lo tanto el principal afectado cuando todas nuestras estructuras biológicas se ven obligadas a atenuar la energía radiante con capacidad de ionizar la materia.


En la imagen que observamos arriba podemos apreciar las acciones directa e indirecta de la radiación. La acción indirecta es la principal  fuente de alteraciones en el ADN por parte de la radiación electromagnética
ACCION DIRECTA



Observamos arriba como el fotón le imprime energía al electrón y este último coaliciona con los átomos de la molécula del ADN rompiendo una de sus hebras.

ACCIÓN INDIRECTA
Proceso dominante en radiaciones de alta transferencia lineal de energía (LET), tales como α-partículas, protones y electrones



Observamos arriba como el fotón le imprime una energía al electrón de forma que este sobre otras moléculas formando radicales libres. Estos últimos son los responsables directos del rompimiento de la molécula de ADN.


RADIOLISIS DEL AGUA
OH• y H• son los llamados radicales libres, moléculas pequeñas con gran capacidad de difusión, vida media muy corta y gran avidez para interactuar con cualquier material biológico, son ellos los que dañan el ADN.

El radical hidroxilo (OH-) es el más abundante que se produce. Es el más activo y por lo tanto el que ocasiona más perjuicios al ADN.


Arriba se mientras una lista de los principales radicales libres que se pueden formar  producto de la irradiación de los tejidos.




ABSORCION DE LA RADIACION CORPUSCULAR INDIRECTAMENTE IONIZANTE
Los neutrones son partículas cuya ionización es indirecta. Ellos interactúan con los núcleos (elástica e inelástica, reacciones nucleares, captura), que producen la emisión de partículas cargadas secundarias (como protones, partículas alfa, fragmentos nucleares más pesados ​​que el carbono, oxígeno, nitrógeno o hidrógeno) que son responsables de ionización de tejido y el efecto biológico.




“SPURS, BLOBS Y SHORT-TRACKS”
El número de pares de iones formado  dentro de una región




La ionización de los tejidos depende del tipo de radiación y se puede clasificar tal ionización  según la energía, cantidad de ionización y la forma en que se agrupan los iones formados. 
-spur: tienen energías de 0-100 eV, se forman  por efecto de la radiación electromagnética, por ejemplo los rayos x. Fueron los primeros en descubrirse.
-Blob: tienen energías de 100-500 eV, se forman por efecto de la radiación electromagnética.
-Short track: tienen  energías de 500-5000 eV. Se forman por efecto de la radiación corpuscular.
Observamos que la radiación corpuscular produce una mayor ionización que la radiación electromagnética. Esto se debe a que la radiación corpuscular además de poseer una gran velocidad tiene masa y un gran tamaño comparado con los fotones de manera que puede interactuar con las estructuras celulares con mucha mayor probabilidad. Recordemos que a mayor probabilidad de interacción mayor es la ionización producida porque la radiación puede transmitir su energía en mayor medida.  Para ejemplificar  mejor este concepto analicemos la siguiente situación:
Se irradia en dos regiones diferentes de un tejido con rayos x en el lado A y con radiación alfa en el lado B. la radiación es de 25 MeV para ambos casos. ¿En qué lado del tejido irradiado se producirán más iones o es que se producirá la misma cantidad de iones en los dos lados del tejido irradiado? Según lo expuesto más arriba el tejido con mayor cantidad de iones será el la B, ya que fue irradiado con partículas alfa. 



Un alto número de pares de iones aumentada considerablemente la posibilidad para la recombinación y la formación de determinados estados excitados.


TRANSFERENCIA LINEAL DE NERGIA  (LED)
En radiobiología se clasifica a la radiación según su capacidad de transmitir su energía al medio con el que interactúa la radiación, es decir los tejidos biológicos. 

Radiación de baja transferencia lineal de energía: este tipo de radiación tiene posee una menor interacción con el medio irradiado es por ello que solo puede transmitir la energía que posee en grandes recorridos a través del medio irradiado. La radiación electromagnética es el mejor ejemplo de radiación de bajo LED (por sus siglas en ingles).  

Radiación de alta transferencia lineal de energía: este tipo de radiación  posee una mayor interacción con el medio irradiado es por ello que  puede transmitir la energía que posee en pequeños recorridos a través del medio irradiado. La radiación alfa es el mejor ejemplo de radiación de alto  LED.

 






No hay comentarios.:

Publicar un comentario