RADIOBIOLOGÍA.
En este capítulo se repasan brevemente qué es la radiobiología y sus principales conceptos.
La radiobiología es la ciencia que estudia los efectos que se producen en los seres vivos tras la exposición a energía procedente de las radiaciones ionizantes. Dos grandes razones que han impulsado la investigación de los efectos biológicos de las radiaciones ionizantes sobre la materia viva son la protección radiológica, para poder utilizarlas de forma segura en aplicaciones médicas o industriales que las requieran, y la radioterapia donde las radiaciones ionizantes se utilizan principalmente para el tratamiento de neoplasias buscando preservar al máximo los órganos críticos (tejido sano).
Ernesto Russo.
Espectro electromagnético.
Características de los efectos biológicos de las radiaciones ionizantes
1) Aleatoriedad: La interacción de la radiación con las células es una función de probabilidad y tiene lugar al azar. Un fotón o partícula puede alcanzar a una célula o a otra, dañarla o no y, de dañarla, puede afectarla en el núcleo o en el citoplasma.
2) Rápido depósito de energía: El depósito de energía a la célula ocurre en un tiempo muy corto, en fracciones de millonésimas de segundo.
3) No selectividad: La radiación no muestra predilección por ninguna parte o biomolécula, es decir, la interacción no es selectiva.
4) Inespecificidad lesiva: Las lesiones de las radiaciones ionizantes son siempre inespecíficas o lo que es lo mismo esas lesiones pueden ser producidas por otras causas físicas.
5) Latencia: Las alteraciones biológicas en una célula que resultan por la radiación no son inmediatas, tardan tiempo en hacerse visibles a esto se le llama “tiempo de latencia” y puede ser desde unos pocos minutos o muchos años, dependiendo de la dosis y tiempo de exposición.
Tipos de efectos de la radiación sobre los seres vivos
Los efectos de las radiaciones ionizantes sobre los seres vivos se pueden clasificar desde distintos puntos de vista:
Según el tiempo de aparición
• Precoces: Aparecen en minutos u horas después de haberse expuesto a la radiación, por ejemplo eritema cutáneo, náuseas.
• Tardíos: Aparecen meses u años después de la exposición, por ejemplo cáncer radioinducido, radiodermitis crónica, mutaciones genéticas.
Desde el punto de vista biológico
• Efectos somáticos: Sólo se manifiestan en el individuo que ha sido sometido a la exposición de radiaciones ionizantes por ejemplo el eritema.
• Efecto hereditario: No se manifiestan en el individuo que ha sido expuesto a la radiación, sino en su descendencia, ya que lesionan las células germinales del individuo expuesto, por ejemplo las mutaciones que afectan a células germinales (espermatozoides y óvulos).
Dependientes de la dosis
• Efecto estocástico: Son efectos absolutamente aleatorios, probabilísticos; pudiendo aparecer tras la exposición a pequeñas dosis de radiación ionizante. 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. Los efectos estocásticos son el cáncer radioinducido, las mutaciones genéticas y los “efectos estocásticos no cancerígenos”, descubiertos recientemente, por ejemplo, daños pulmonares no cancerígenos de aparición tardía.
• Efecto no estocástico: Se necesita una dosis umbral para producirlos, por debajo de la cual, la probabilidad de aparición de los mismos es muy baja. Suelen ser efectos precoces, por ejemplo el eritema cutáneo.
Etapas de la acción biológica de la radiación
Los efectos, de distinto orden, de las radiaciones ionizantes sobre la materia viva son el resultado final de las interacciones físicas (ionización y excitación) de los fotones o partículas con los átomos que la componen. Los efectos de la radiación sobre los seres vivos pasan por sucesivas etapas que se ordenan aquí según su escala de tiempo, de menor a mayor.
Etapa Física
Es una respuesta inmediata que ocurre entre billonésimas y millonésimas de segundo. En esta etapa se produce la interacción de los electrones corticales con los fotones o partículas que constituyen el haz de radiación. Los electrones secundarios originados en la interacción, excitan e ionizan a otros átomos provocando una cascada de ionizaciones. Se estima que un Gray de dosis absorbida produce 100.000 ionizaciones en un volumen de 10 micras cúbicas.
• La acción directa de la radiación es consecuencia de ionizaciones que se producen en los átomos que forman la molécula del ADN, fenómeno dominante en radiaciones con alta transferencia lineal de energía (LET) como las partículas alfa, beta y protones, que inciden directamente sobre los átomos de las moléculas.
• La acción 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.
Etapa Química
Esta etapa es de un orden ligeramente mayor estando en una escala de entre una millonésima de segundo y un segundo. Es el proceso de la interacción de los radicales libres resultantes de la radiólisis del agua, que originan una serie de reacciones químicas con moléculas de solutos presentes en el medio irradiado y que producirán la inducción de un cierto grado de lesión biológica. Cuando las radiaciones interaccionan con la materia viva se producen fenómenos fisicoquímicos, pues la ionización y excitación suponen un incremento de energía para las moléculas, lo que compromete su estabilidad; dependiendo de la importancia de la molécula afectada, la lesión biológica será más o menos importante.
Etapa biológica
La etapa biológica se inicia con la activación de reacciones enzimáticas para reparar el daño producido por las radiaciones. Algunas de estas lesiones serán reparadas y no influyen en la viabilidad celular y otras no serán reparadas con lo que se producirá la muerte celular en interfase, mitosis o incluso después de varias divisiones celulares tras la exposición a la radiación. Las consecuencias biológicas de la irradiación celular se manifiestan mucho tiempo después como:
1) La respuesta de los tumores a la radioterapia.
2) Los efectos secundarios agudos y tardíos asociados a la radioterapia.
3) Desarrollo de neoplasias radioinducidas a largo plazo por mutaciones en células somáticas.
4) Desarrollo, detectado solo en animales, de malformaciones genéticas en la descendencia por mutaciones en células germinales.
Lesiones radioinducidas y radiosensibilidad
Las interacciones de las radiaciones ionizantes pueden traducirse en alteraciones en la bioquímica celular, cadenas de hidratos de carbono, cambios estructurales en las proteínas, modificaciones en la actividad enzimática, que a su vez repercuten en alteraciones de la membrana celular, las mitocondrias y los demás orgánulos de la célula. Pero en donde más estudios se han realizado, es en las acciones de la radiación sobre los elementos del núcleo celular, sobre el ADN.
Tipo de lesiones radioinducidas
• Lesión letal: Es irreversible e irreparable, que conduce necesariamente a la muerte de la célula.
• Lesión subletal: En circunstancias normales puede ser reparada en las horas siguientes a la irradiación, salvo que la inducción de nuevas lesiones subletales por sucesivas fracciones de la dosis determine letalidad.
• Lesión potencialmente letal: Es una lesión particular que está influida por las condiciones ambientales del tejido irradiado durante y después de la irradiación.
El número de lesiones inducidas por radiación es mucho mayor que el que ocasionalmente provoca la muerte de las células. La dosis letal media (D0) es la dosis de radiación que origina aproximadamente una lesión letal por célula y que destruirá al 63% de éstas, siendo aún viables el 37% restante. El valor de dosis letal media en células epiteliales humanas bien oxigenadas es de aproximadamente 3 Gy. El número de lesiones que se detectan en el ADN inmediatamente después de irradiar a una dosis “D0” ha sido estimado en:
• Daño de bases: > 1000.
• Roturas simples de cadena: Alrededor de 1000.
• Roturas dobles de cadena: Alrededor de 40.
Lesiones radioinducidas en la molécula de ADN
El daño producido en el ADN por las radiaciones ionizantes es crítico para la muerte celular radioinducida. Existen múltiples pruebas que demuestran esta hipótesis como son:
1) La dosis requerida para producir muerte celular es mucho mayor para el citoplasma que para el núcleo celular, donde se encuentra el ADN.
2) El I125 y el H3 incorporado al ADN produce muerte celular.
3) Las aberraciones cromosómicas radioinducidas son letales para las células.
4) Las bases nitrogenadas alteradas producen radiosensibilización, como el 5-Fluoracilo.
5) Las células con más cromosomas (aneuploides (tumorales)>diploides>haploides), es decir con más cantidad de ADN son más radioresistentes.
La lesión del ADN es de vital importancia en radioterapia para combatir las células tumorales.
Radiosensibilidad
La radiosensibilidad es la magnitud de respuesta de las estructuras biológicas, provocada por las radiaciones ionizantes. Un elemento biológico es más sensible cuanto mayor es su respuesta a una dosis determinada de radiación. El elemento biológico es más radiosensible cuando necesita menos dosis de radiación para alcanzar un efecto determinado. El concepto opuesto a radiosensibilidad, es radioresistencia. No existe célula ni tejido normal o patológico radioresistente de forma absoluta; pues si se aumenta ilimitadamente la dosis, siempre se puede alcanzar su destrucción. Administrando dosis mínimas en órganos o tejidos, se observaran diferentes grados de alteraciones morfológicas o funcionales, según las líneas celulares de que se trate.
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 menor sensibilidad:
1) Muy radiosensibles: leucocitos, eritroblastos, espermatogonias.
2) Relativamente radiosensibles: mielocitos, células de las criptas intestinales, células basales de la epidermis.
3) Sensibilidad intermedia: células endoteliales, células de las glándulas gástricas, osteoblastos, condroblastos, espermatocitos, etc.
4) Relativamente radioresistentes: granulocitos, osteocitos, espermatozoides, eritrocitos.
5) Muy radioresistentes: fibrocitos, condrocitos, células musculares y nerviosas.
Procesos que determinan la radiosensibilidad
Tras irradiación ocurren distintos procesos que pueden afectar a la viabilidad celular, a su funcionalidad o a la aparición de mutaciones que son: inducción del daño, procesamiento y manifestación del daño. La radiosensibilidad es la forma en la que se manifiesta la acción biológica producida por la radiación sobre una determinada población celular o tejido. Datos experimentales demuestran que:
• El daño inicial sobre una célula por unidad de dosis es variable y dependiente intrínsecamente de dicha célula.
• Células de distintos tipos muestran diferente capacidad y eficacia en el proceso de reparación de las lesiones radioinducidas.
• Distintas células pueden tolerar niveles desiguales de daño residual.
Radiobiología y radioterapia
Aunque la radiación lesiona y puede destruir tanto a las células cancerosas como a las normales, estas últimas pueden repararse y recuperar su funcionamiento adecuado. Los principales mecanismos radiobiológicos de respuesta de los tumores a la irradiación se describen habitualmente como «las 5 R de la Radioterapia» que son:
• RADIOSENSIBILIDAD INTRÍNSECA: Es la sensibilidad innata o propia de las células a la irradiación.
• REOXIGENACIÓN: Tras cada sesión de radiación existen células hipóxicas que al final del tratamiento estarán oxigenadas y serán radiosensibles.
• REDISTRIBUCIÓN: Tras una fracción de radiación, se sitúan más células en fase G2 y M del ciclo celular, siendo más radiosensibles ante las siguientes fracciones.
• REPARACIÓN DEL DAÑO SUBLETAL (RDSL): Es mayor en tejidos sanos, por lo que se protege al tejido normal con un régimen de fraccionamiento que permita esta reparación entre dos sesiones de radiación, que debe ser entre seis y ocho horas.
• REPOBLACIÓN ACELERADA: Es el aumento del número de divisiones celulares como mecanismo de compensación, siendo más importante en los tejidos y tumores de duplicación rápida o con tiempo de duplicación pequeños.
Referencias
• Historia de la Radiobiología.
• Galle, P. y Paulin, R.: “Biofísica, radiobiología, radiopatología”. (2003).
• Stewart Bushong.: “Manual de Radiología para Técnicos: Física, Biología y Protección Radiológica”. (2010).
Fotografía: crédito a quién corresponda.
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