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.
