View
217
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Francisco Diogo Carvalho Guerra Liberal
Avaliao e Caraterizao por
Mtodos Computacionais de
Diferentes Radioistopos no
Contexto da Terapia Paliativa de
Metstases sseas
Julho 2013
Avaliao e Caracterizao por Mtodos
Computacionais de Diferentes Radioistopos no
Contexto da Terapia Paliativa de Metstases
Monografia do Curso de Mestrado em Engenharia Biomdica da
Universidade do Porto
Francisco Diogo Carvalho Guerra Liberal
Licenciado em Engenharia Biomdica pela Universidade
de Trs-os-Montes e Alto Douro (2013)
Orientador:
Joo Manuel R. S. Tavares
Professor Associado do Departamento de Engenharia
Mecnica da Faculdade de Engenharia da
Universidade do Porto
Coorientador:
Adriana Alexandre S. Tavares
Investigadora da Molecular Neurolmaging (MNI), LLC New
Haven, Connecticut, USA
Agradecimentos
Ao Professor Joo Manuel R. S. Tavares pela orientao e disponibilidade fornecidos ao
longo deste trabalho, fundamentais para a correta elaborao do mesmo.
A Dr.. Adriana Alexandre S. Tavares pelo apoio prestado a este trabalho, bem como,
pelo auxlio e ajuda fornecida para a realizao do mesmo.
E a todos aqueles de que forma direta e indireta contriburam de forma positiva para o
desenvolvimento deste trabalho.
Sumrio
O objectivo principal do presente trabalho (Avaliao e Caraterizao por Mtodos
Computacionais de Diferentes Radioistopos no Contexto da Terapia Paliativa de
Metstases sseas) determinar o eventual impacto de alguns radiofrmacos
utilizados atualmente em terapias paliativas ou em testes clnicos, atravs do recurso a
mtodos computacionais de forma a realizar uma anlise comparativa entre os
diferentes radioistopos disponveis.
Sabe-se que um agente ideal para radioterapia tumoral dirigida deve apresentar, entre
outras caractersticas, semi-vida fsica entre 30 minutos e 10 dias, nucldeos filhos
estveis (semi-vida superior a 60 dias) e qumica adequada a captao pelo tecido
sseo.
A radioterapia interna com utilizao de radioistopos tem sido amplamente utilizada
para terapia paliativa das metstases sseas, encontrando-se mltiplos radioistopos
em utilizao como, Samrio-153, o Estrncio-89, o Rnio-186 e 188, o Fsforo-32, o
Tectnio-99m, o Hlmio-166, o Estanho-117m, o Lutcio-177, o Samrio-153 e o
Rdio-223.
Para a realizao da Dissertao final de Mestrado necessrio proceder a uma
recolha e pesquisa bibliogrfica de estudos cientficos desenvolvidos nesta rea de
interesse, bem como, da informao sobre algumas tcnicas a utilizar para a execuo
prtica do trabalho envolvido, dais quais se destaca os simuladores radiobiolgicos
desenvolvidos pelo Prof. Robert Stewart da Universidade de Washington, sendo eles,
Monte Carlo Damage Simulaton (MCDS), Monte Carlo Excision Repair (MCER) e o
Virtual Cell (VC), que em conjunto realizam uma simulao detalhada dos efeitos
biolgicos da radiao a nvel celular e molecular.
Uma vez finalizada essa pesquisa, realiza-se a definio do projeto a desenvolver,
nomeadamente pela abordagem ao protocolo a utilizar, os dados mais importantes
para a realizao das simulaes. Serve o presente documento como planificao dos
Trabalhos Prticos a realizar no mbito desta Dissertao
ndice
1.1. INTRODUO ......................................................................................................................... 14
1.2. PRINCIPAIS OBJETIVOS ........................................................................................................... 15
1.3. ESTRUTURA ORGANIZATIVA .................................................................................................. 16
1.4. CONTRIBUIES PRINCIPAIS .................................................................................................. 17
2.1. INTRODUO ......................................................................................................................... 21
2.2. PRINCPIOS DO CICLO CELULAR .............................................................................................. 22
2.3. CINTICA CELULAR ................................................................................................................. 24
2.4. APOPTOSE E NECROSE ........................................................................................................... 26
2.5. SUMRIO ............................................................................................................................... 28
3.1 INTRODUO ............................................................................................................................. 32
3.2 EFEITOS CELULARES DA RADIAO ............................................................................................. 33
3.3 EFEITOS DIRETOS E INDIRETOS DA RADIAO ............................................................................ 34
3.4 TIPO DE DANOS E DESTINO DAS CLULAS RADIOINDUZIDOS ...................................................... 36
3.4.1. MTODO DE CLASSIFICAO DAS LESES AO ADN .................................................................................. 37
3.5 MECANISMOS DE REPARAO DO ADN ..................................................................................... 38
3.6 CURVAS DE SOBREVIDA .............................................................................................................. 41
3.7 SUMRIO .................................................................................................................................... 43
4.1 INTRODUO ............................................................................................................................. 47
4.2 PRINCIPAIS CARACTERSTICAS DOS RADIOISTOPOS ................................................................. 48
4.2.1 FSFORO-32 ................................................................................................................................... 49
4.2.2 ESTRNCIO-89 ................................................................................................................................. 49
4.2.3 TRIO-90 ......................................................................................................................................... 50
4.2.4 ESTANHO-117M ............................................................................................................................... 50
4.2.5 SAMRIO-153 ................................................................................................................................. 51
4.2.6 HLMIO-166 ................................................................................................................................... 52
4.2.7 TLIO-170 ...................................................................................................................................... 52
4.2.8 LUTCIO-177 ................................................................................................................................... 53
4.2.9 RNIO-186 ...................................................................................................................................... 53
4.2.10 RNIO-188 ............................................................................................................................ 54
4.2.11 RDIO-223 ............................................................................................................................ 54
4.3 SUMRIO .................................................................................................................................... 55
5.1 INTRODUO ............................................................................................................................. 59
5.2 SIMULADORES ............................................................................................................................ 59
5.3 VANTAGENS E DESVANTAGENS .................................................................................................. 61
5.4 MONTE CARLO DAMAGE SIMULATION MCDS .......................................................................... 62
5.4.1 INFORMAO DE ENTRADA E SADA ...................................................................................................... 66
5.5 MONTE CARLO EXCISION REPAIR MCER ................................................................................... 68
5.5.1 INFORMAO DE ENTRADA E SADA ...................................................................................................... 72
5.6 VIRTUAL CELL - VC....................................................................................................................... 73
5.6.1 INFORMAO DE ENTRADA E SADA ...................................................................................................... 75
5.7 SUMRIO .................................................................................................................................... 79
6.1 INTRODUO ............................................................................................................................. 84
6.2 PROCEDIMENTOS ....................................................................................................................... 84
6.3 SUMRIO .................................................................................................................................... 93
7.1 CONCLUSES FINAIS ................................................................................................................... 97
7.2 PERSPETIVAS FUTURAS ............................................................................................................... 98
Captulo 1
Introduo ao Trabalho e Estrutura
da Monografia
1.1. Introduo
As metstases sseas so uma das mais importantes complicaes associada ao
desenvolvimento e proliferao de clulas malignas. Estas so tambm um dos
maiores problemas que um doente com cancro pode experienciar, sendo que cerca de
80-100% dos doentes que morrem de cancro da prstata, mama e pulmo possuem
metstases sseas. De entre esses doentes, mais de 75% experienciam significativas
dores sseas e 50 % dos mesmos reportam analgia inadequada [13].
O alvio dos sintomas induzidos pelas metstases sseas pode ser conseguido por via
de um tratamento de corpo inteiro ou meio corpo com feixes de radiao externo de 8
Gy, com uma taxa de sucesso a rondar os 80%. Contudo com o uso desta modalidade
de irradiao corporal externa, todos os tecidos do corpo esto expostos a elevados
nveis de radiao de forma semelhante, o que pode causar efeitos secundrios
considerveis, em particular para os tecidos saudveis que se encontram volta do
tecido tumoral maligno [8].
A terapia com radiofrmacos menos invasiva, tipicamente melhor tolerada e produz
resultados no alvio da dor ssea, com a vantagem de limitar a exposio da radiao
aos tecidos alvos [15]. Contudo, estudos so necessrios para investigar,
nomeadamente, quais as melhores vias de administrao, dose, frequncia de
administrao e radioistopos que resultaro numa melhor captao do radiofrmaco
por parte do tecido alvo [8, 13].
Atualmente vrios estudos tm vindo a apresentar dados favorveis ao tratamento
paliativo de metstases sseas quando este aplicado em estados menos avanados
da doena oncolgica e muitos radiofrmacos novos tm sido apontados como tendo
elevado potencial teraputico [13]. Outros estudos tm demonstrado que os
radioistopos que decaem por emisso de partculas - e por captura eletrnica so os
que apresentam maior potencial teraputico, bem como, alguns radioistopos com
decaimento , como o caso do rdio-223, onde a sua elevada energia depositada
num volume muito reduzido [10, 17].
Irradiao de clulas tumorais com recurso a partculas radioativas como as acima
mencionadas, por via de uso de radiofrmacos, pode induzir leses na estrutura do
ADN da clula alvo, as quais podem subsequentemente levar morte da mesma por
um processo de morte celular programada designado de apoptose [13]. Tal resultaria
numa destruio seletiva de clulas tumorais por um processo de morte celular
controlado. Uma variedade de fatores contribui para a eficincia dos radiofrmacos,
dado que os efeitos da radiao nas clulas um processo complexo e vrios esforos
tm vindo a ser realizados para melhor compreender todo este processo atravs de
estudos in vitro e in vivo, bem como avanos cientficos na rea da radiobiologia. Para
alm disso, nos ltimos anos tm vindo a ser desenvolvidos, com sucesso, vrios
simuladores computacionais que tm vindo a acelerar a obteno de resultados in
silico e melhorar o conhecimento cientfico atual na rea de radiobiologia celular,
nomeadamente na rea de efeitos da radiao ionizante em clulas.
1.2. Principais Objetivos
Estudos e publicaes recentes documentam o interesse da terapia com recurso a
radiao, com mltiplas aplicaes na rea oncolgica, constituindo assim um tema
em voga nos dias de hoje. Neste sentido, os estudos radiobiolgicos, como os que se
pretendem realizar, so absolutamente pertinentes e necessrios para de uma forma
simples e barata melhor caraterizar a natureza dos efeitos produzidos pelos diferentes
radioistopos em diferentes cenrios de oncologia, bem como o seu potencial como
agente teraputico.
Assim, uma vez concluda esta Dissertao com o tema Avaliao e Caraterizao por
Mtodos Computacionais de Diferentes Radioistopos no Contexto da Terapia
Paliativa de Metstases sseas, espera-se contribuir para um maior conhecimento
cientifico sobre:
O eventual potencial teraputico de cada radioistopo estudado,
nomeadamente atravs da anlise dos efeitos radiobiolgicos produzidos
pelas principais emisses de cada radioistopo;
A avaliao dos efeitos radiobiolgicos das principais emisses de cada
radioistopo em vrios cenrios de simulao.
Por seu lado, aps a concluso dos Trabalhos Prticos, espera-se conseguir abordar de
forma correta e global o plano de trabalhos a desenvolver, no que toca ao uso dos
diferentes simuladores e parmetros de simulao para os diferentes cenrios, pela
recolha de informao cientifica que funciona como explicao introdutria de alguns
dos mtodos utilizados, seguida de uma breve explicao dos procedimentos a
desenvolver para realizar a Dissertao.
1.3. Estrutura Organizativa
Pretende-se organizar o presente documento de uma forma autnoma e
independente para facilitar o acesso as diversas reas estruturas em 7 captulos.
Assim, descreve-se sumariamente de seguida o que ser abordado em cada captulo:
Captulo 2. Biologia Celular
Neste captulo realiza-se uma descrio global, dos principais conceitos do ciclo
celular, com acessria relao deste com a morte celular programada, isto , apoptose.
Este captulo reveste-se de capital importncia pois para o desenvolvimento desta
Dissertao fundamental o conhecimento da cintica celular, em particular, as suas
relaes com o processo apopttico.
Captulo 3. Radiobiologia Celular
Neste terceiro captulo so explicados os conceitos bsicos associados ao uso de
radiao em clulas e os efeitos que esta provoca nas mesmas, esclarecendo-se
conceitos como curvas de sobrevida, e principais mecanismos de reparao celular.
Captulo 4. Radioistopos para Terapia Paliativa
Neste quarto captulo so enumeradas as principais caractersticas de cada
radioistopo com potencial teraputico, bem como as caractersticas das suas
principais emisses radioativas.
Captulo 5. Simuladores em Radiobiologia
Neste quinto captulo so enumerados e descritos os simuladores que se prev utilizar
para a realizao da Dissertao, bem como todos os parmetros necessrios para o
controlo de cada cenrio. Realizando tambm de uma forma sucinta uma comparao
da utilizao dos simuladores em relao a uma cultura celular.
Captulo 6. Introduo a Simulao
Neste penltimo captulo so expostas algumas simulaes simples utilizadas para
melhor compreender o funcionamento dos simuladores anteriormente descritos,
explicando-se tambm como se pretende realizar os futuros cenrios de irradiao.
Capitulo 7. Concluses Finais e Perspetivas Futuras
Neste ltimo captulo so apresentas algumas concluses finais sobre o trabalho
desenvolvido, indicando igualmente quais as perspetivas futuras da continuao do
desenvolvimento deste trabalho para posterior apresentao como Dissertao.
1.4. Contribuies Principais
Como principais contribuies dos Trabalhos Prticos, enquanto trabalho guia para a
execuo prtica dos procedimentos para o desenvolvimento correto desta
Dissertao, salientam-se o estudo dos diferentes simuladores, processo apopttico e
ciclo celular, a reviso bibliogrfica, bem como, a descrio algo detalhada dos
radioistopos e funcionamento dos simuladores que se pretendem utilizar durante um
projeto desta natureza.
No que diz respeito Dissertao espera-se que esta contribua para melhorar o
conhecimento cientfico neste tema em particular, pois um campo de intensa
pesquiza e interesse crescente.
Captulo 2
Biologia Celular
2.1. Introduo
De um modo geral, as clulas crescem, aumentam o seu contedo e por fim dividem-
se. Cada clula origina duas clulas-filhas que, se tudo ocorrer dentro da normalidade,
sero geneticamente idnticas clula-me. Por sua vez, estas clulas-filhas podem
tornar-se clulas-mes da gerao seguinte. Assim, a vida de uma clula comea
quando esta surge a partir da clula-me e acaba, quando ela prpria se divide para
originar duas clulas-filhas.
O conjunto de transformaes e processos que decorrem desde a formao da clula
at ao momento em que ela prpria se divide constitui um processo dinmico e
continuo, denominado ciclo celular.
Durante a diviso celular, os organelos, enzimas e outros constituintes da clula so
distribudos pelas clulas-filhas. O ADN exatamente auto-duplicado e as copias
rigorosamente divididas. esta fidelidade na duplicao e na distribuio do material
gentico pelas clulas-filhas que assegura a continuidade gentica.
Todo o procedimento do ciclo celular e controlado por diversas protenas e enzimas
que alm de garantirem a ausncia de erros, transmitem a cintica do ciclo, isto , a
durao de cada fase especifica do processo e o tempo total necessrio para que todo
o processo ocorra. Uma pequena mutao numa protena ou enzima de controlo, pode
ter consequncias dramticas na cintica celular, como no caso das clulas
carcinognicas, em geral o perodo do ciclo celular muito inferior as celular normais.
Um destino final das clulas, muito caracterstico e importante do ponto de vista
teraputico a morte celular por apoptose, isto , morte celular programada que tem
um efeito mnimo ou mesmo ausente sobre as clulas vizinhas.
A apoptose um mecanismo de segurana presente nas clulas que desencadeado
sempre que as clulas so danificadas de forma irreversvel, garantindo assim mais
uma vez a continuidade gentica.
Mais uma vez, o processo apopttico controlado por um vasto nmero de enzimas e
protenas especficas, que iniciam todo o processo assim que algum recetor ativado.
2.2. Princpios do Ciclo Celular
As clulas crescem e dividem-se de acordo com o seu ciclo celular. Este ciclo o
processo atravs do qual uma clula somtica duplica o seu material gentico e o
reparte igualmente s suas clulas-filhas, e dividido em interfase e fase mittica. A
interfase corresponde ao perodo entre o fim de uma diviso celular e o incio da
diviso seguinte, enquanto, a fase mittica enquadra o perodo durante o qual ocorre
a diviso celular propriamente dita.
So conhecidas aproximadamente 50 protenas que atuam como fatores de
crescimento. As clulas que possuem o recetor especfico para um determinado fator
de crescimento sero iniciadas no ciclo, enquanto as que no expressarem esse
recetor permanecero inativas.
A interfase, que antecede a fase mittica divide-se em trs subfases: G1, S e G2. O
intervalo G1, ou ps-mittico, inicia-se quando a clula estimulada a multiplicar. Este
intervalo corresponde ao perodo entre o fim da mitose e o incio da sntese de ADN
(fase S), e caracteriza-se por um amento do volume celular e intensa sntese de
protenas e enzimas. Na fase S, ocorre a autorreplicao de cada uma das molculas de
ADN, a fim de que cada cromossoma seja formado por dois cromatdeos ligados por
um centrmero. O intervalo G2, ou pr-mittico, ocorre aps a sntese de ADN (fase S)
e antes do incio da mitose. Neste perodo ocorre sobretudo a sntese de biomolculas
e ARN necessrios diviso celular, consultar figura 1.
Ilustrao 1: Progresso do ciclo celular depende de uma sequncia de ativao e desativao de diversos
complexos CDKs e CDKIs (Stewart e Kleihues, 2003)
Durante o ciclo celular existem etapas de avaliao interna relativamente ao
prosseguimento do ciclo celular, designados por Checkpoint 1, que ocorre no final do
intervalo G1 e Checkpoint 2, que ocorre no final do intervalo G2. Se o resultado da
avaliao for negativo as clulas param o seu processo de diviso e permanecem no
estdio denominado G0 por tempo indeterminado ou at sua morte. Se pelo
contrrio, a avaliao efetuada for positiva, estas processem para a fase seguinte do
ciclo celular, a fase mittica.
Relativamente fase mittica esta comummente dividida em duas etapas principais:
a mitose, que corresponde diviso do ncleo, e a citocinese, que corresponde
diviso do citoplasma. A mitose, embora seja um processo continuo, dividido
didaticamente em: prfase, metfase, anfase e telfase. A prfase , de um modo
geral, a etapa mais longa da mitose. Nesta fase, sucede a condensao dos
cromossomas, tornando-se mais espessos e curtos, e os dois centrolos comeam a
afastar-se em sentidos opostos, formando-se o fuso acromtico. Na metfase os
cromossomas atingem o mximo de encurtamento, o fuso acromtico fica completo e
os centrolos atingem os plos da clula. Para alm disso, os cromossomas orientam-se
com os centrmeros no plano equatorial, voltados com as terminaes para fora.
Durante a anfase surge a clivagem dos centrmeros, separando-se os dois
cromatdeos que passam a constituir dois cromossomas independentes. Durante nesta
fase ocorre a ascenso dos cromossomas filhos. Por ultimo, na telfase, a membrana
nuclear reorganiza-se em torno dos cromossomas de cada clula-filha o fuso mittico
degradado e os cromossomas descondensam, terminado assim a mitose.
A citocinese carateriza-se pela diviso do citoplasma e consequente individualizao
de cada clula-filha. Estre processo comea a ser preparado durante a mitose com a
formao do anel contrtil de filamentos proteicos. Estes durante a citocinese
contraem-se e puxam a membrana celular para dentro, causando um sulco de
clivagem, que vai lentamente estrangulando o citoplasma at separar as clulas-filhas.
A durao das subfases do ciclo celular varia com as espcies, tipo de tecido e com o
estado de desenvolvimento do organismo. Tipicamente o tempo de duplicao celular
varia entre 10 a 40 horas com a fase G1 a durar 30%, fase S 50%, fase G2 15% e a
mitose 5% do tempo do ciclo celular. A radiossensibilidade celular tambm varia ao
longo do ciclo celular, em geral, a fase final do estdio S a mais radiorresistente, a
fase G2 e M so as mais radiossensveis.
2.3. Cintica celular
Todo o ciclo celular de cada tipo de clula controlado por diversos marcadores,
enzimas e protenas que lhes proporciona uma cintica particular, que pode ser
alterada se ocorrer alguma alterao gentica, como no caso das clulas
carcinognicas da prstata e mama.
As clulas carcinognicas metastticas da prstata, tal como as clulas normais que as
originam, so sensveis a estimulao por hormonas de crescimento. Estas clulas so
dependentes de hormonas, uma vez que, na presena de certas hormonas a sua
percentagem de proliferao (Kp) estimulada, enquanto na ausncia aumenta a sua
taxa de morte celular (Kd). Na presena das hormonas corretas, ocorre o contnuo
crescimento destas clulas, uma vez que, a taxa de proliferao supera a taxa de morte
celular [22].
Estudos realizados por Carter e colaboradores concluram que o tempo necessrio de
duplicao de clulas da prstata de 2.40.6 anos enquanto para clulas
metastticas era de 1.80.2 anos. Por seu lado os estudos realizados por Schmid e
colaboradores obtiveram 5.8 e 3.6 anos respectivamente.
O Kp, expressa em percentagem a taxa de proliferao diria de um tipo particular de
clulas, calculado dividindo o valor GF para esse tipo de clula pelo perodo
intermittico Tc, expresso em dias, e posteriormente multiplicado o resultado por 100.
O GF determinado por anlises imunocitoquimicas para detetar clulas em ciclo
celular, atravs da deteo do antigene Ki67 presente em clulas em proliferao (G1,
S, G2) e ausente em clulas fora de ciclo (G0). O GF ento a poro de clulas da
amostra marcadas positivamente para o antigene Ki67.
O Tc determinado usando culturas de clulas da prstata saudveis e carcinognicas
(DU-145, PC-3 e LNCaP), observando o tempo entre mitoses sucessivas atravs do
recurso a vdeo, conclui-se pelo estudo de Berges e colaboradores que para ambas as
amostras o Tc de 485 horas.
O Kd expressa em percentagem a taxa de morte celular diria, calculado dividindo a
frao de clulas que a extremidade do ADN marcada com TTF (terminal transferase)
exgena purifica pela meia vida das clulas marcadas, geralmente 12 horas, e depois
multiplicado por 100.
Mais propriamente um valor de meia vida de 122 horas para clulas normais, 123
para clulas metastticas da prstata.
Por fim conclui-se ento que a taxa de crescimento dada pela subtrao de Kd a Kp
para cada tipo particular de clula. Quando Kd < Kp o tempo de duplicao dado pela
formula:
=2
[ ]
Quando Kd = Kp, o tempo de renovao de todo o tecido calculado por:
= 1
A percentagem de proliferao das clulas normais da prstata baixa, contudo,
elevada o suficiente para equilibrar a baixa percentagem de morte celular espontnea.
Demonstrando assim que as clulas da prstata esto em equilbrio, tendo um Tt de
50079 dias. Quando as clulas da prstata entram numa fase inicial de carcinognese,
ocorre um aumento de 6.9 vezes o valor normal de Kp, e com um aumento de 4 vezes o
valor de Kd. Levando assim a acumulao diria de 0.450.11% de celulas. Ficando
assim um tempo de duplicao de 15422 dias para estas clulas.
Os resultados demostraram tambm que o valor Kp das clulas metastticas 10.7
vezes superior comparado com as clulas normais e o valor de Kd unicamente 3.8
vezes superior ao das clulas normais. Levando assim a uma taxa de crescimento
celular no osso das clulas metastticas de 1.280.23%, traduzindo-se assim num
tempo de duplicao de 545 dias, consultar tabela 1.
Tabela 1: Parmetros da cintica das clulas da prstata (adaptado Berges 1995)
Tipo celular Kp (%) Kd (%) Tempo de
duplicao (dias) Clulas epiteliais da
prstata 0.190.03 0.200.03 50079
Clulas de elevado valor neoplstico 1.250.30 0.800.24 15422
Clulas metastticas da prstata no osso 2.040.29 0.790.16 545
2.4. Apoptose e Necrose
Apoptose, ou morte celular programada, carateriza-se por ocorrer de forma individual,
no infligindo, por isso, morte s clulas vizinhas. A morte celular por apoptose
participa em mltiplas situaes fisiolgicas. A combinao da apoptose com a
proliferao celular responsvel pelo delineamento de tecidos e rgos nos
embries. Por exemplo, a apoptose regula a separao dos dedos nos fetos. Problemas
na regulao da apoptose podem conduzir ao aparecimento de inmeras patolgicas,
nomeadamente cancro, (Tavares 2009).
O processo apopttico tem o seu incio aps a captao de um sinal ou estimulo pelas
clulas para entrarem em apoptose, realizando um vasto conjunto de alteraes.
Uma famlia de protenas denominada caspase, tipicamente ativada nas fases iniciais
do processo, sendo responsveis pela degradao de componentes celulares
fundamentais para o funcionamento celular normal, incluindo enzimas responsveis
pela reparao do ADN. Por outro lado, as caspases podem ativar enzimas
destruidoras, tais como, ADNases, que iniciam a quebra do ADN.
A clula em apoptose apresenta uma morfologia distinta e caraterstica, que tem incio
com o encurtamento celular devido a destruio dos filamentos de actina e lminas do
citoesqueleto. Posteriormente o ncleo celular apresenta uma aparncia em ferradura
devido a quebra da cromatina e condensao nuclear e um contnuo encurtamento
celular observado de forma a permitir a posterior remoo dos restos celulares pelos
macrfagos. Na fase final da apoptose surgem pequenas bolsas membranares, que
formam vesculas, denominados corpos apoptticos. Estas alteraes morfolgicas so
comuns a todas as clulas em apoptose explcita, independentemente do agente
indutor do processo. Quer isto dizer que a ao das caspases representa uma via
comum, que opera em todas as clulas programadas para morrer, (Anazetti e Melo
2007).
A sensibilidade da clula face a um estmulo apopttico depende de um nmero de
fatores como a expresso de protenas indutoras e anti-apoptticas, a intensidade do
estmulo e o estdio do ciclo celular. Existe um extenso nmero de mecanismos que
induzem apoptose. A apoptose pode ser desencadeada por estmulos extrnsecos, tais
como, a ligao de indutores de apoptose a recetores da membrana celular,
denominados recetores de morte celular. Para alm dos processos referidos, a
apoptose pode ser induzida por sinais intrnsecos que produzem stresse celular, devido
exposio radiao, a qumicos ou vrus. Pode igualmente resultar de uma privao
de fatores de crescimento ou stresse oxidativo induzido pela formao de radicais
livres.
Existe uma grande correlao entre o ciclo celular e a apoptose, reconhecida pelos
genes que codificam as protenas c-Myc, p53, Rb, ras, PKA, PKC, Bcl-2, NF-kB, CDK,
ciclinas e CKI. Aps estimulao, estas protenas podem induzir proliferao celular,
interrupo do ciclo celular ou morte celular programada. A resposta celular
fortemente influenciada pela informao gentica existente, o microambiente, a
extenso de dano no ADN e a concentrao de diferentes protenas.
Por outro lado, a morte celular por necrose ocorre, geralmente, em resposta a danos
severos nas clulas e caraterizada, morfologicamente, por um aumento do volume
citoplasmtico e mitocondrial, seguido da rutura da membrana plasmtica e
extravasamento do contedo celular, induzindo deste modo uma resposta
inflamatria, que pode causar dano e, por vezes at morte s clulas vizinhas. Deste
modo, quando a morte celular ocorre por via da necrose, um grande nmero de
clulas afetado e lesado durante o processo inflamatrio. Contrariamente ao
processo de retrao celular observada aquando do processo apopttico, na necrose
observa-se um edema celular devido as leses no citoesqueleto e inibio das bombas
de Na+/K+, o que origina a perda da permeabilidade seletiva da membrana.
Em sntese, na apoptose, ou morte celular programada, as clulas morrem como
resultado de uma grande variedade de estmulos, contudo, o processo controlado e
regulado. Contrariamente a necrose, corresponde morte celular descontrolada, que
conduz ao aparecimento de lise celular e consequente resposta inflamatria, consultar
imagem 2.
Ilustrao 2: Apoptose e a necrose so distinguidas por alteraes morfolgicas caractersticas
(Stewart e Kleihues, 2003)
2.5. Sumrio
Deste captulo conclui-se que a clula comea a sua vida quando se origina a partir da
diviso da clula-me e termina quando ela prpria se divide em duas clulas-filhas,
dai se denomina esta existncia cclica das clulas por ciclo celular. O ciclo celular, bem
como toda a cintica associada desempenham um papel fundamental na resposta
celular irradiao pois aquando de um dano pode repara-lo, pode ordenar a morte
celular, por apoptose, ou pode retirar essas clulas do ciclo celular, permanecendo
num estdio de paragem, designado G0. A apoptose o processo de morte celular que
menos danos causa s clulas vizinhas, sendo o processo ideal de fim celular aquando
da irradiao.
Captulo 3
Radiobiologia Celular
3.1 Introduo
Quando a radiao ionizante interage com clulas ou tecidos, ocorrem interaces e
deposio de energia nos diversos componentes da clula, principalmente no ADN, por
este ser o componente mais sensvel.
Os efeitos da radiao podem ser diversos dependendo do grau de maturao e tipo
celular em causa, bem como da qualidade da radiao. Podendo ser provocados de
uma forma direta, isto , a prpria radiao interage diretamente com o alvo, neste
caso o ADN ou outro qualquer constituinte da clula, ou podem ser provocados de
forma indireta, nesta, a radiao atua sobre molculas de gua, produzindo radicais
livres altamente reativos, que por sua vez interagem e provocam leses nos
constituintes celulares.
A irradiao de uma clula pode resultar em nove destinos finais:
Ausncia de efeito;
Atraso na diviso: a clula atrasa a entrada no processo de diviso;
Apoptose: a clula morre antes de se dividir ou aps diviso por fragmentao
em pequenos corpos;
Falha reprodutiva: a clula morre na tentativa de executar mitose;
Instabilidade genmica: carateriza-se por um atraso da falha reprodutiva
como resultado da introduo de instabilidade genmica;
Mutao: a clula sobrevive, mas esta mutada;
Transformao: a clula sobrevive, mas a mutao leva a alteraes de
fentipo e possibilidade de carcinognese;
Efeito bystander: uma clula irradiada envia sinais s clulas vizinhas no
irradiadas, induzindo nestas danos genticos;
Reposta adaptativa: a clula irradiada estimulada a reagir e torna-se mais
resistente a radiao, (Suntharalingam 2002).
Dos destinos finais, enumerados anteriormente, aquele que mais interessante do
ponto de vista da radioterapia metablica dirigida, a apoptose, pois este destino
induz menos danos nas clulas vizinhas e, adicionalmente, impede a propagao de
aberraes cromossmicas radioinduzidas.
As clulas tm mecanismos intrnsecos de resposta as diversas leses que a radiao
ionizante pode provocar no ADN. Estes mecanismos de uma forma geral aps a
deteco do local lesado procedem a uma substituio das bases incorrectas ou
mesmo de um segmento da cadeia de ADN, de forma a tentar corrigir a leso e
assegurar a integridade gentica.
Dos mecanismos conhecidos, tem especial destaque os mecanismos de reparao mais
simples que so utilizados principalmente nas quebras simples como o caso da
reparao por exciso de bases (Base Excision Repair, BER) que permite corrigir
problemas em bases individuais, reparao por exciso de nucldeos (Nucleotide
Excision Repair, NER) que corrige atravs da remoo e substituio de oligonucldeos,
com comprimentos entre 24 e 32 nucletidos. Este processo a via primaria de
remoo de espcies reativas do oxignio.
Quando existem ou ocorrem danos irreparveis no ADN, geralmente o prximo passo
a apoptose, ou more celular programada, de forma a evitar, as consequncias de
reparaes altamente mutagnicas.
3.2 Efeitos Celulares da Radiao
Pelas leis de Bergonie e Tribondeau (1906), conclui-se que quanto mais diferenciada
a clula, maior a sua radiorresistncia e quanto maior a taxa de proliferao, de
crescimento e atividade metablica da clula, maior a radiossensibilidade. Assim,
tecidos ou rgos em desenvolvimento e proliferao ativa so mais radiossensvel
que tecidos ou rgos totalmente desenvolvidos e diferenciados, ilustrao 4.
Em 1925, Ancel e Vitemberger modificam a lei de Bergonie e Tribondeau, introduzindo
a noo de tempo de latncia, afirmando que a suscetibilidade das clulas leso por
radiao o mesmo, mas o tempo de aparecimento das leses produzidas pela
radiao vria de acordo com o tipo de clula, influenciadas pela quantidade de
stresse biolgico que a clula est sujeita, necessidade de diviso, e s condies de
pr e ps-radiao da clula exposta.
Ilustrao 3: Relao entre a radiossensibilidade das clulas e as suas caractersticas de diviso e diferenciao celulares.
Os efeitos celulares da radiao podem tambm ser classificados com base na sua
probabilidade de ocorrncia, sendo divididos em dois tipos distintos:
Efeitos estocsticos: Podem aparecer a partir da leso de uma ou vrias clulas,
no existe limiar, pelo que os efeitos so de natureza aleatria, isto , assume-se
que existe sempre a probabilidade de ocorrerem, mesmo para pequenas doses
de radiao. Um aumento da dose implica um aumento da frequncia do efeito e
no da sua gravidade.
Efeitos determinsticos: esto associados a um limiar a partir do qual surgem, so
os efeitos cuja severidade aumenta com o aumento da dose.
3.3 Efeitos Diretos e Indiretos da Radiao
Quando as clulas so expostas a radiao ionizante, ocorrem primeiramente efeitos
fsicos entre os tomos e molculas da clula e a radiao, e s mais tarde se verificam
os danos biolgicos. Os efeitos biolgicos da radiao resultam sobretudo de leses
Vida curta Indiferenciadas Dividem-se regularmente
Muito Alta
Dividem-se um nmero limitado de vezes Algum grau de diferenciao Alta
Dividem-se irregularmente Esperana de vida muito variavel Mdia
Vida longa No se dividem muitas vezes Grau variavel de diferenciao
Baixo No se dividem Altamente diferenciadas Muito Baixo
provocadas ao ADN, o qual o componente mais sensvel da clula no que toca a
radiao ionizante. Contudo, existem outros componentes da clula, que uma vez
danificados, podem produzir efeitos biolgicos na clula como por exemplo enzimas,
lpidos estruturais, entre outros.
Quando a radiao incidente interage com o material biolgico, transfere energia para
a clula, provocando danos que pode ser resultado de efeitos diretos ou indiretos da
radiao. No efeito direto, a radiao interage diretamente com a molcula alvo, ou
seja o ADN. Os tomos do ADN so ionizados ou excitados, conduzindo a uma cascata
de eventos fsicos e qumicos, que eventualmente produzem o dano biolgico. O efeito
direto o processo dominante em interaes de radiao de alta LET.
No efeito indireto, a radiao interage com outas molculas ou tomos,
principalmente molculas de gua, no interior da clula, produzindo radicais livres, os
quais posteriormente provocam a ionizao da molcula alvo. As interaes da
radiao com as molculas de gua no interior da clula produzem radicais livres de
curta vida, nomeadamente, o H2O+ e o OH. Os radicais livres em causa podem induzir
danos no ADN, os quais conduzem a danos biolgicos. Cerca de dois teros do dano
biolgico provocado por radiao de baixa LET devido ao efeito indireto da radiao,
consultar imagem 4 [2].
Ilustrao 4: Efeitos Diretos versos Efeitos Indiretos (Hall e Giaccia, 2006)
3.4 Tipo de Danos e Destino das Clulas
Radioinduzidos
As clulas expressam os danos radioinduzidos aquando da sua diviso e multiplicao.
Leses que provocam aberraes cromossmicas e mutaes genticas nas clulas,
podem levar morte celular, inibio da diviso celular ou a transformaes malignas.
Estas alteraes celulares podem ter como consequncias finais a alterao da funo
tecidular, morte tecidular ou induo de cancro.
A interao de radiao ionizante com material biolgico provoca uma cascata de
eventos nefastos para a estrutura e funo do material em causa. Quando existe
interao entre radiao e o ADN, um dos seguintes efeitos biolgicos na estrutura do
ADN podem ocorrer: 1) alterao das ligaes entre as bases, devido a substituio de
bases, adio de novas bases ou remoo de bases existentes, substituio cruzada de
bases; 2) Single Strand Break (SSB), quebras simples da cadeia; ou 3) Double Strand
Break (DSB), quebras duplas da cadeia. Estes danos do ADN podem conduzir a
alteraes na funo do ADN levando uma das seguintes consequncias: inibio
temporria ou permanente da sntese de ADN, sntese de ADN incorreto, inibio ou
preveno da mitose ou mesmo sntese de protenas incorretas. Por outro lado
quando a interao da radiao ocorre com enzimas, alteraes da estrutura terciria
ou disrupo das ligaes qumicas das enzimas podem ocorrer, levando inibio da
atividade enzimtica ou a alteraes do metabolismo celular. Se as interaes ocorrem
nas membranas celulares, pode ocorrer um aumento da permeabilidade aos ies,
resultando em potenciais alteraes da composio intracelular e extracelular da
clula.
Suntharalingam em 2002 classifica os danos provocados em clulas de mamferos em
trs grandes grupos:
Danos letais: os quais so irreversveis, conduzindo morte da clula;
Danos subletais: podem ser reparados em algumas horas exceto se outros
danos subletais forem adicionados durante a reparao celular, o que
conduzir ao aparecimento de um dano letal;
Danos potencialmente letais: podem ser manipulados pelos mecanismos de
reparao quando as clulas so retidas no estdio G0.
Como consequncia dos danos provocados pela radiao a clula pode-se encaminhar
para um de nove possveis destinos finais, (Suntharalingam 2002):
Ausncia de efeito;
Atraso na diviso: clula fica retida no estdio G0;
Apoptose: a clula morre por fragmentao;
Falha reprodutiva: a clula morre na tentativa de executar mitose;
Instabilidade genmica: carateriza-se por um atraso da falha reprodutiva como
resultado da introduo de instabilidade genmica;
Mutao: a clula sobrevive, mas est mutada;
Transformaes: a clula sobrevive, mas a mutao leva a alteraes de
fentipo e possibilidade de carcinognese;
Efeito bystander: a clula irradiada envia sinais as clulas vizinhas no
irradiadas, induzindo danos genticos nas mesmas;
Resposta adaptativa: a clula irradiada estimulada para reagir e tornar-se
mais resistentes radiao.
A escala temporal associado quebra de ligaes qumicas e subsequente dano
biolgico, perodo de latncia, situa-se entre algumas horas a anos, dependendo do
tipo de dano. Caso a morte celular seja o resultado da irradiao, esta pode ocorrer
dentro de algumas horas, isto , efeitos precoces da radiao. Contudo, se o dano for
oncognico, a sua expresso pode ser adiada durante anos, isto , efeito tardio da
radiao.
3.4.1. Mtodo de Classificao das Leses ao ADN
Nikjoo e colaboradores, em 1997, definiram dois mtodos alternativos de classificao
de quebras nas cadeias de ADN.
Esses esquemas de classificao consideravam 1) os padres de quebras de acordo
com a complexidade do dano (simples, duplo e combinaes) numa ou ambas as
cadeias de ADN, figura 5; e 2) classificao das quebras como resultado direto ou
indireto da radiao (devido a radicais livres). As classificaes so apresentadas na
tabela 2, (Nikjoo 1997 e 2001).
Ilustrao 5: Esquema de classificao de danos do ADN segundo (Nikjoo 1997 e 2001)
Classificao Descrio
Ausncia de quebra No ocorre deposio energtica por efeito direto, nem a
deposio energtica devido a radicais livres (efeito indireto) conduz formao de quebras do ADN
SSB Quebra simples do ADN SSB+ Duas quebras simples na mesma cadeia ADN
2SSB Duas ou mais quebras simples em cadeias opostas separadas por >10 bp, mas no classificadas como quebras duplas DSB Duas quebras simples opostas e separadas por 10 bp
DSB+ Uma quebra dupla acompanhada por uma ou mais quebras simples separadas por menos de 10 bp
DSB++ Mais de uma quebra dupla no segmento de ADN separadas por 10 bp ou mais Tabela 2: lassificao das diferentes quebras do ADN, segundo (Nikjoo 1997, 2001)
3.5 Mecanismos de Reparao do ADN
Quando a radiao ionizante interage com material biolgico, principalmente o ADN,
provoca alteraes na sua estrutura num curto espao de tempo, entre 10-3 e 10-5
segundos, estimulando a quebras de ligaes qumicas do ADN. Contudo, os efeitos
biolgicos de tal leso surgem tardiamente, aps um perodo de latncia quem pode
demorar desde algumas horas at vrios anos. Como consequncia dos danos no ADN
a clula pode sofrer uma mutao, entrar em apoptose ou tornar-se numa clula
carcinognica.
Dependendo da energia depositada pela radiao ionizante na clula irradiada podem
ocorrer quebras de apenas uma cadeia de ADN ou quebras nas duas cadeias de ADN
(mencionadas anteriormente). Em termos biolgicos as quebras simples so
tipicamente de fcil reparao, no apresentando assim grandes consequncias
celulares, a no ser em caso de reparao incorreta a qual pode conduzir ao
aparecimento de uma mutao. Tambm as quebras duplas separadas por vrios pares
de bases so frequentemente facilmente reparados pelos mecanismos celulares.
Porm as quebras duplas complexas, separadas por poucos pares de bases so uma
das leses mais toxicas e mutagnicas nas clulas humanas, uma nica DSB tem
potencial para remover mais de 100 milhes de pares de base de informao gentica.
O nmero de leses no ADN geradas pela radiao elevado, mas o nmero de clulas
que morrem devido as leses substancialmente mais reduzido. O nmero de leses
induzidas no ADN por uma radiao de 1-2 Gy aproximadamente de 1000 SSB e 40
DSB. Dados experimentais demonstram que as DSB induzida por radiaes de baixo
LET so tipicamente mais facilmente reparadas que as DSB provocadas por radiaes
de alto LET. Conhecimento relativo interao e trajeto da radiao (track structure)
com a matria tem vindo a ser utilizado para explicar as variaes e diferentes
distribuies das leses no ADN.
Existem mltiplos mecanismos enzimticos de reparao do DNA nas clulas que
atuam em diferentes tipos de leses. Para as leses DBS, os principais mecanismos de
reparao so a recombinao homloga (Homologous Recombination) e a
recombinao no homloga (Non-Homologous End Joining, NHEJ) [37].A
recombinao homloga requer que parte do ADN no esteja danificado para servir
como molde para sntese de novo ADN, um mecanismo raro, sem erros e que
acontece essencialmente aps a replicao, na fase final do estdio S e G2 do ciclo
celular. Inicia-se com a ligao de um complexo proteico nos locais das leses. Ocorre
a sntese dos nucldeos em falta, criando assim um complexo cruzado entre as cadeias
de ADN lesadas e normais, designado de juno de Holliday. A quebra da juno
Holliday garante a recombinao homloga no final do mecanismo de reparao. Por
seu lado, a recombinao no homloga provoca leses pr-mutagnicas, podendo ser
letais no caso de aberraes em anel, dicntrico ou ponte de anfase ou no-letais se
forem pequenas delees ou translocaes simtricas. Este mecanismo opera na
ponta do fragmento de ADN, aps a identificao por parte da protena Ku70/Ku80 do
local da leso, de seguida a protena de reparao ligada a DNA-PK, que promove
uma religao dos fragmentos. Este mecanismo ocorre essencialmente na fase final do
estdio G1 e fase S do ciclo celular.
A radiossensibilidade difere dentro do ciclo celular, em geral, a fase final do estdio S
a mais radiorresistente, a fase G2 e M so as mais radiossensveis, tomando a fase G1
um valor intermedio. A proporo favorvel da reparao por HR em vez da NHEJ na
fase final de S pode explicar a sua maior radiorresistncia, ver imagem 6.
Ilustrao 6: Frao de clulas que sobrevivem a uma dose de 6.6 Gy de raio-X em funo do tempo, A
sobrevivncia celular cresce at um mximo na fase final do estdio S (Wang, 2000)
Existem mecanismos de reparao mais simples que so utilizados principalmente nas
quebras simples como o caso da reparao por exciso de bases (Base Excision Repair,
BER) que permite corrigir problemas em bases individuais atravs da produo de um
local AP (local apurnico ou apirimidnico), reparao por exciso de nucldeos
(Nucleotide Excision Repair, NER) que corrige dmeros de timina atravs da remoo e
substituio de oligonucldeos, com comprimentos entre 24 e 32 nucletidos, por
reparao enzimtica distinta do ADN. Este processo a via primaria de remoo de
espcies reativas do oxignio capazes de induzir ciclopurinas em clulas de mamferos.
Por ltimo existe ainda a reparao de erros de emparelhamento (Mismatch Repair,
MMR).
Dois modos de reparao BER tm sido observados em clulas procariticas e
eucariticas: a exciso e substituio de um nico nucletido, denominado BER de
curta substituio (Short-Patch BER SP-BER), que ocorre na maioria dos casos; e a
remoo de fragmentos de 2 a 13 nucletidos, denominado BER de longa durao
(Long-Patch BER LP-BER). Segundo Dianov e colaboradores (2000), em clulas
humanas, as vias de reparao LP-BER e NER tm um papel relativamente minoritrio
na reparao dos danos, sendo estes na sua maioria removidos pela via SP-BER.
Quando existem ou ocorrem danos irreparveis no ADN, geralmente o prximo passo
a apoptose, ou more celular programada, de forma a evitar, as consequncias de
reparaes altamente mutagnicas.
3.6 Curvas de Sobrevida
O procedimento padro para medir a radiossensibilidade de uma populao celular a
reteno da sua integridade reprodutiva, isto referido como a sobrevida celular e
percentagem de sobrevida aps irradiao, assumindo que existe uma relao clara
entre a apoptose e o crescimento e a sobrevivncia celular para um grande intervalo
de doses e nveis de sobrevivncia.
O tipo de radiao influencia a forma da curva, sendo que radiaes densamente
ionizantes apresentam curvas de sobrevida quase exponenciais face dose absorvida,
enquanto radiaes pouco ionizantes apresentam uma pequena diminuio inicial,
seguida de uma regio denominada em ombro, mantendo-se quase e decrscimo
constante para altas doses, consultar imagem 7.
Ilustrao 7: Curvas de sobrevida celular tpica para radiao de alta LET e baixa LET: (a) Primeiro modelo e
(b) modelo atual (Tavares, 2009)
As curvas de sobrevida so melhor expressas em grficos semilogartmicos de
sobrevivncia por dose irradiada, geralmente com doses de 1 a 10 Gy por clula. O
modelo mais utilizado na atualidade o modelo linear-quadrtico, usando um
polinmio de segunda ordem, utilizando as constantes que representa a inclinao
inicial da curva e a componente quadrtica de morte celular para descrever o declive
da sobrevida (S) com o aumento da dose (D).
= (+2)
A razo / fornece a dose para a qual os componentes quadrticos e lineares da
morte celular so iguais.
A taxa de sobrevivncia celular maior quando uma dose administrada de forma
fracionada num perodo superior a 2 horas, comparado com uma nica dose. Esta
variao atribuda s reparaes das leses subletais entre fraes. Em geral o
perodo de reparao de metade das leses subletais varia entre 0.5 a 1 hora para
clulas em cultura podendo ser maior em tecidos. E a reparao completa pode
demorar entre 6 a 8 horas, podendo tambm ser mais moroso em tecidos.
O sucesso da reparao do dano depende da dose absorvida e do tempo de exposio,
existindo uma velocidade mxima de reparao observada quando a leso atinge
nveis de saturao, anlogo cintica enzimtica. A reparao menos bem-sucedida
para irradiaes de altas taxas de doses, apresentado maior sucesso para baixas taxas
de doses. O sucesso crescente da sobrevivncia celular a baixas doses ou com doses
muito espaadas no tempo e consistente com a importncia dada ao tempo de
reparao das leses subletais.
Outro efeito importante na sobrevida celular o chamado efeito bystander, em que as
clulas prximas das clulas irradiadas, mas que no foram atingidas diretamente pela
radiao, exibem leses similares aquelas observadas em clulas diretamente
atingidas pela radiao.
3.7 Sumrio
Pretende-se, uma vez finalizada a leitura deste captulo, que se compreenda e retenha
os conceitos bsicos dos efeitos das interaces da radiao com as clulas e material
biolgico, com particular importncia para os mecanismos de reparao presentes nas
clulas eucariticas.
Do captulo verificou-se que os efeitos finais da radiao dependem do tipo de clula
em causa, bem como a fase do ciclo celular em que se encontra, pois sabe-se que uma
clula em estdio G1 mais radioresistente do que a mesma clula em estdio M.
Por outro lado, a qualidade da radiao utilizada, influencia de forma drstica o tipo de
danos provocados no ADN da clula, quanto maior o LET da radiao, mais complexo e
difceis de reparar vo ser os danos, garantindo assim que a clula inicia o seu processo
apopttico.
Captulo 4
Radioistopos
para Terapia Paliativa
4.1 Introduo
A radiao ionizante pode ser utilizada para destruio das celulares carcinognicas,
por via de mtodos de irradiao externa com raios-X ou partculas de elevada energia
ou mtodos de irradiao interna com recurso a tcnicas de braquiterapia ou uso de
radiofrmacos.
A radiao transmitida internamente a uma rea especfica ou a um rgo lesado ser
tendencialmente mais seletiva que feixes de radiao externos. Contudo importante
definir qual a quantidade certa de radiao a fornecer s clulas cancerosas alvo e ao
mesmo tempo definir qual a estratgia de administrao mais eficiente e que evitar
lesar as clulas normais que rodeiam o tumor.
O primeiro caso de sucesso de mtodos de irradiao interna de tumores com recurso
ao uso de radioistopo foi o tratamento do cancro da tiroide com uso de iodo
radioativo. O Iodo-131 (131I), produzido num reator nuclear, instvel devido ao
elevado nmero de neutres e emite radiao e para alcanar a estabilidade. Para
alm disso, quando injetado por via endovenosa ou administrado por via oral, o 131Iodeto de sdio, concentra-se preferencialmente na tiroide, glndulas salivares e
mucosas. Dado que a radiao libertada pelo 131I capaz de destruir as clulas
cancerosas e o 131Iodeto de sdio se localiza preferencialmente na tiroide, este
mtodo de irradiao interna de tumores com recurso a radioistopos tem sido
utilizado para tratamento do cancro da tiroide com elevado sucesso.
Existem outros istopos utilizados com fiz teraputicos ou de diagnstico so captados
por reas especificas do corpo, por exemplo, o Fosfato-32 e o Estrncio-89
amplamente usados na terapia ssea e o Rdio-223 um promissor agente para
tratamento sseo.
Contudo, uma grande parte dos radioistopos utilizados para radioterapia dirigida
necessitam de ser incorporados num composto qumico, o qual ser captado especifica
e seletivamente por um determinado tipo de recetor, transportador ou enzima na
clula alvo. Uma vez atingido o alvo, a radiao emitida pelo radioistopo presente no
radiofrmaco pode conduzir morte celular.
4.2 Principais Caractersticas dos Radioistopos
Para fins teraputicos, a seleo do radionucldeo adequado para uma aplicao
especfica tem em considerao uma vasta gama de fatores, que incluem as
caractersticas fsicas do radionucldeo, principalmente o tipo e a energia da radiao
emitida e a sua meia-vida. Para alm disso, importante considerar o local de
deposio da energia do radionucldeo, a localizao anatmica da rea a tratar, custos
e disponibilidade do radionucldeo. A estratgia dos radiofrmacos depositar a maior
quantidade de energia possvel num curto espao de tempo nas clulas malignas, em
particular no ADN das mesmas, poupando as clulas saudveis da radiao indesejvel.
Na prtica, radionucldeos com emisso de partculas -, bem como aqueles com
capacidade de captura eletrnica e emisso de eletres Auger, so os nicos que tem
vindo a ser usados amplamente na terapia paliativa de metstases sseas com
radiofrmacos. As partculas tm um poder de penetrao nos tecidos na ordem dos
milmetros at alguns centmetros, sendo apropriadas para a irradiao de pequenos
tumores at tumores de tamanho mdio. Alguns dos radionucldeos promissores que
emitem partculas -, terem valores de meia-vida adequados radioterapia de
metstases sseas, variando de algumas horas at dias. Para alm disso, estes
radionucldeos frequentemente decaem originando num nucldeo filho estvel. Por
ultimo, muitos destes radionucldeos so facilmente produzidos. Ver tabela 3.
Nucldeo Semi-vida fsica (dias)
Tipo de decaimento
Energia mdia (MeV)
Energia emisso
(MeV)
Penetrao no tecido
(mm) 90Y 2.67 - 2.28 0 2.7
188Re 17.0 - 2.12 0.155 (15%) 2.4 166Ho 26.8 - 1.85 0.81 (6.33%) 8.6
32P 14.3 - 1.71 0 8.0 89Sr 50.5 - 1.49 0 6.7
186Re 3.77 - 1.08 0.137 (9%) 4.7 153Sm 1.95 - 0.81 0.103 (29%) 3.4
131I 8.04 - 0.61 0.364 (81%) 0.8 67Cu 2.58 - 0.57 0.184 (48%) 0.05-2.1 177Lu 6.7 - 0.497 0.113 (6.4%) 0.04-1.8
170Tm 1.10 - 0.96 0.027 (2.83%) 117mSn 13.6 - 0.16 0.158 (87%) 0.3 223Ra 11.43 5.97 0.118 (1.97%) 0.1
125I 60.3 EC 0.4 (Auger e-) 3.98 (6.6%) 10 nm Tabela 3: Exemplos de radioistopos com potencial aplicabilidade em radioterapia e as suas caractersticas.
Legenda: EC - Captura eletrnica, - - emisso de partculas beta menos, emisso de partculas alfa (adaptado de Volkert (1999));
4.2.1 Fsforo-32
O Fsforo-32 (32P) decai por emisso - para Enxofre-32 no estado fundamental, com
um tempo de semi-vida de 14.28 dias e uma energia total de 1710.66 KeV. Este
radioistopo apresenta um poder de penetrao medio de 3mm nos tecidos e de
1.7mm no osso, atingindo um mximo de 8.5m. obtido atravs da irradiao do
Enxofre-32 com neutrinos de alta velocidade, apresentando assim um baixo custo de
produo, consultar tabela 4.
Emisso Energia Mdia (KeV) Intensidade (%) 0,0 695.5 100.0
Tabela 4: Tabela de decaimento do Fsforo-32
4.2.2 Estrncio-89
O Estrncio-89 (89Sr) decai principalmente por emisso - para trio-89 no estado
fundamental e uma pequena frao de 0.0096% decai para o trio-89 isomrico com
subsequente decaimento para trio-89 via raios de 909 KeV. O [89Sr] tem um valor de
semi-vida de 50.57 dias e uma energia de decaimento de 1495,1 KeV, com um poder
de penetrao de 2.4mm nos tecidos moles e um poder efetivo de 5 a 6mm. Este
radioistopo preparado a partir do Estrncio-82 num reator com alto fluxo de
neutres, consultar tabela 5.
Emisso Energia Mdia (KeV) Intensidade (%) 0,0 584.6 99.9903 0,1 189.1 0.0096 0,0 909.0 0.0095
Tabela 5: Tabela de decaimento do Estrncio-89
4.2.3 trio-90
O trio-90 (90Y) decai maioritariamente por emisso - para o estado fundamental do
Zircnio-90 e para um nvel excitado a 1760 KeV com uma probabilidade de 0.017%. O
[90Y] tem um valor de semi-vida de 2.668 dias e uma energia total de decaimento - de
2279.8 KeV. Com um poder de penetrao de 4mm no tecido sseo, fazem dele ideal
para aplicaes teraputicas, consultar tabela 6.
Emisso Energia Mdia (KeV) Intensidade (%) CE-K 768.7 0.003 0,1 163.7 0.017 0,0 926.7 99.98
Tabela 6: Tabela dos principais decaimentos do trio-90
4.2.4 Estanho-117m
O Estanho-117m (117mSn) decai por transformao isomrica com emisso de fotes
gama para o Estanho-117 estvel. Tendo um tempo de semi-vida 13,6 dias e uma
energia de fotes gama de 158,6 KeV e emite eletres de baixa energia, com
penetrao efetiva medida em micrmetros, consultar tabela 7.
Os eletres de baixa energia so emitidos atravs de converso eletrnica entre
camadas, com especial interesse os produzidos pela camada K e L.
Emisso Energia Mdia (KeV) Intensidade (%) Auger-L 3.0 91.0 Auger-K 21.0 10.8
CE-K1 126.8 64.8 CE-K2 129.4 11.7 CE-L1 151.9 26.1 CE-L2 154.1 1.5 CE-M1 155.1 5.6
Fotes Gama 158.6 86.4 Tabela 7: Tabela dos principais decaimentos do Estanho-117
4.2.5 Samrio-153
O Samrio-153 (153Sm) desintegra-se via 3 ramos principais e pelo menos mais 10
ramos fracos de emisses - para Eurpio-153. O [153Sm] tem um tempo de semi-vida
de 1.92849 dias e uma energia de 808,2 KeV.
A emisso - mdia do Samrio-153 de 0.233 MeV, com penetrao mdia no tecido
mole de 0.5mm e uma penetrao efetiva de 2 a 3 mm. O (153Sm) tambm liberta
radiao , 29% da sua energia total com um valor de 0.1 MeV, permitindo assim a
realizao de uma cintilografia do radionucldeo administrado. O Samrio-153
produzido num reator nuclear atravs do bombardeamento com neutrinos do
Samrio-152.
Este radioistopo tem uma a tabela de decaimentos extremamente complexa,
podendo decair por emisso de eletres Auger, captura eletrnica, emisso -, fotes
gama, de diversos nveis de energia, dos quais se destacam os presentes na tabela 8.
Emisso Energia Mdia (KeV) Intensidade (%) Auger-L 3.4 7.8 53.0 CE-K5,3 21.154 20.5 CE-K3,0 54.66 41.4
0,5 199.7 30.4 0,3 225.3 49.2 0,0 264.3 19.5 3,0 103.2 29.2
Tabela 8: Tabela dos principais decaimentos do Samrio-153
4.2.6 Hlmio-166
O Hlmio-166 (166Ho) decai por emisso - para nveis excitados do rbio-166, com um
valor de energia de decaimento total de 1854.5 KeV e um tempo de semi-vida de
26.795 dias. Apresenta um elevado poder de penetrao na ordem dos 8 mm. O
Hlmio tal como o Samrio decai com emisso de um largo espectro de partculas, os
principais decaimentos do Hlmio podem ser consultados na tabela 9.
Emisso Energia Mdia (KeV) Intensidade (%) Auger-L 3.9 7.6 28.0 CE-L1,0 70.82 72,2 20.5
0,1 651.1 50.5 0,0 693.8 48.2
Tabela 9: Tabela dos principais decaimentos do Hlmio-166
4.2.7 Tlio-170
O Tlio-170 (170Tm) desintegra-se tanto por decaimento -, para um nvel excitado
intermdio de 84.25 KeV (18.3%) com subsequente decaimento para o estado
fundamental do elemento Itrbio-170 (Yb-170), como por decaimento - diretamente
para o estado fundamental do elemento Yb-170 (81%). Para alm disso, o 170Tm pode
tambm decair por captura eletrnica para um nvel excitado intermdio de 78.6 KeV
(0.03%) com subsequente decaimento para o estado fundamental do rbio-170 (Er-
170) ou diretamente para o estado fundamental (0.12%) do Er-170.Com um tempo de
semi-vida de 127.8 dias e uma energia total de emisso - de 968 Kev e de captura
eletrnica de 314,4 KeV e emisso suficiente para imagiologia, ver tabela 10.
Emisso Energia Mdia (KeV) Intensidade (%) CE-L1,0 73.77 75.31 9.4
0,1 290.5 18.3 0,0 323.1 81.6
Tabela 10: Tabela dos principais decaimentos do Tlio-170
4.2.8 Lutcio-177
O Lutcio-177 (177Lu) desintegra-se por emisso - para o estado fundamental e trs
estados excitados do Hfnio-177 (Hf-177), com um valor de meia-vida de 6.647 dias e
energia de emisso de 498.3 KeV, tambm tem emisso suficiente para a produo
de imagem mdica, ver tabela 11.
Emisso Energia Mdia (KeV) Intensidade (%) Auger-L 4.3 11.2 8.75 CE-L1,0 101.67 6.84
0,3 47.66 11.64 0,1 111.7 9.1 0,0 149.4 79.3 3,1 208.36 10.38
Tabela 11: Tabela dos principais decaimentos do Lutcio-177
4.2.9 Rnio-186
O Rnio-186 (186Re) decai por emisso - principalmente para o estado fundamental e
excitado a 137 KeV do smio-186 e por captura eletrnica para o Tungstnio-186. O
(186Re) tem uma semi-vida de 3,7186 dias e uma energia de decaimento - de 1069.5
KeV e de captura eletrnica de 581,6 KeV [38]. Sendo um emissor com energia mdia
de 0.349 MeV e uma penetrao mdia nos tecidos moles de 1.1mm e um mximo de
4.5mm. Tambm emite uma pequena componente de radiao (9%, 0.137 MeV),
permitindo assim uma imagem da ps-administrao da biodistribuio, consultar
tabela 12.
Emisso Energia Mdia (KeV) Intensidade (%) Auger-L 4.7 12.9 6.43 CE-T1,0 63.3 137.11 12.15
0,1 306.7 21.5 0,0 359.6 70.9
Tabela 12: Tabela dos principais decaimentos do Rnio-186
4.2.10 Rnio-188
O Rnio-188 (188Re) decai por emisso - para diferentes estados do smio-188, dos
quais 71.1% decai diretamente para o estado fundamental. O (188Re) tem uma semi-
vida de 17,005 dias e uma energia de 2120,4 KeV [38]. Este radioistopo apresenta
uma penetrao mdia de 3 mm nos tecidos moles e mxima de 10 mm. O valor
elevado de energia de emisso tem potencial para provocar danos letais nas clulas
tumorais na regio de decaimento, ver tabela 13.
Emisso Energia Mxima (KeV) Intensidade (%) 0,0 2120.4 71.1% 0,1 1965.4 25.6%
Fotes Gama 155 15% Tabela 13: Tabela dos principais decaimentos do Rnio-188
4.2.11 Rdio-223
O Rdio-223 (223Ra) decai por emisso de partculas para nveis excitados do Rado-
219. O (223Ra) apresenta uma semi-vida de 11,43 dias e uma energia de emisso de
5978,99 KeV. Apresenta um poder de penetrao inferior a 0.1mm nos tecidos, e
fotes gama que possibilitam a realizao de imagem mdica. Os principais
decaimentos do Rdio-223 podem ser consultados na tabela 14.
Emisso Energia Mdia (KeV) Intensidade (%) 0,6 5539.43 10.6 0,5 5606.95 25.8 0,4 5715.81 45.6 0,3 5747.14 10.0
Auger-L 5.66 17.95 30.1 CE-T4,2 51.5 54.9 15.42 CE-K4,1 55.81 18.0 CE-T4,1 55.811 154.165 22.4 CE-T5,0 171.066 269.420 11.23
Tabela 14: Tabela dos principais decaimentos do Radio-223
4.3 Sumrio
Neste quarto captulo foram explicados os conceitos bsicos associados ao uso de
radioistopos na rea teraputica, sendo de salientar as caractersticas fsicas de cada
candidato.
Sabendo que um radioistopo emissor de partculas , partculas ou eletres Auger
apresentam elevado potencial teraputico, quando a ele esta associado um perodo de
semi-vida fsica adequado e um nucldeo-filho estvel, com possibilidade de ser
captado pelo tecido sseo de uma forma direta ou atravs da ligao a outro agente
qumico.
Captulo 5
Simuladores em Radiobiologia
5.1 Introduo
Um passo essencial sobre a eficincia da terapia com radioistopos a anlise dos
efeitos provocados por este no material biolgico em estudo. Uma forma muito
apetecvel de realizar estudos e ensaios na rea atravs do recurso a simuladores,
onde se utilizam cdigo Monte Carlo para descrever o transporte e interaco de
energia com um meio descrito por diversos parmetros extrapolados de ensaios in
vitro e in vivo.
A principal vantagem da utilizao destes simuladores a sua versatilidade e a
capacidade de em intervalos reduzidos de tempo, obter informao, que de outro
qualquer modo demoraria largos meses ou mesmo anos.
Para o desenvolvimento destes ensaios foram escolhidos os seguintes simuladores
Monte Carlo Damage Simutaion, que simula as leses provocadas pela radiao, o
Monte Carlo Excision Repair, que simula os mecanismos de reparao e por ltimo o
Virtual Cell, que simula todo o processo de interaco entre a radiao e o tecido alvo.
5.2 Simuladores
Os simuladores computacionais de radiobiologia celular so desde h algum tempo
uma fonte til de informao sobre o potencial efeito teraputico de diferentes
agentes irradiantes, entre eles, os radiofrmacos utilizados em metstases sseas,
sendo de crucial importncia no campo da radioterapia molecular e projeo de
tratamentos.
Um dos primeiros simuladores dos efeitos da radiao desenvolvido foi o simulador
Monte Carlo. Segundo a histria, decorria o ano de 1945 quando apareceu um modelo
matemtico notvel e que ainda hoje amplamente aplicado em diversas reas da
cincia.
O mtodo Monte Carlo um conjunto de tcnicas estocsticas baseadas em nmeros
aleatrios e probabilidades estatsticas para investigar problemas cientficos, ode o seu
uso possibilita analisar sistemas complexos, como o caso da radiobiologia celular, que
de outro modo no seriam possveis de estudar, pois descrever a interao de um par
de tomos relativamente elementar, contudo, resolver as mesmas equaes para
centenas ou milhares de tomos impensvel. Com o mtodo Monte Carlo um
sistema complexo pode ser amostrado em nmeros de configuraes aleatrias e a
informao recolhida pode ser utilizada para descrever o sistema como um todo,
(Woller 1996).
Como j foi referido, atualmente os mtodos Monte Carlos aplicados nos simuladores
dos efeitos da radiao possibilitam o planeamento, o estudo das interaes entre a
radiao e a matria, entre outros.
Porm, algumas desvantagens tm sido apontadas a este simulador, entre as quais a
sua exigncia computacional. Assim, comparativamente ao algoritmo Monte Carlo,
computacionalmente mais complexo e detalhado, o algoritmo de Monte Carlo rpido
(MCDS) utilizado como ferramenta base para esta Dissertao, apresenta uma boa
correlao para a maioria dos espectros de danos radioinduzidos do ADN, o que sugere
que a distribuio espacial de danos elementares do ADN determinada
primariamente por eventos independentes estocsticos.
A sua rapidez face ao Monte Carlo, em termos de processamento de informao,
possibilita a simulao de um cenrio de 100000 clulas a 1 Gy de radiao em 1.5
minutos num Intel Pentium III Xeon a 2.4 GHz, necessitando de uma memoria de 1.3
megabytes, (Semenenko e Stewart 2004).
Contrariamente a este simulador MCDS, o algoritmo CELLDOSE Monte Carlo para
avaliar os efeitos da radiao em esferas de agua isoladas, necessita de algumas horas
num Pentium 4-EM64T a 3 GHz com 1 Gb de memoria RAM, (Champion 2008).
Em contraste o simulador de radiobiologia a usar (VC Virtual Cell) fornece
informaes sobre sobrevida celular, probabilidade de controlo tumoral, induo a
mutagnese entre outros em apenas alguns minutos.
Existem outros cdigos baseados em cdigo Monte Carlo para o estudo dos efeitos da
radiao no ADN, como o GEANT4-DNA, PENELOPE (PENetration and Energy LOss os
Positrons and Electrons), consultar tabela X.
5.3 Vantagens e Desvantagens
Uma das principais vantagens destes simuladores a sua versatilidade e a capacidade
de em intervalos de tempo reduzidos, por vezes de poucos minutos, obter informao,
de que qualquer outro modo demoraria longos perodos de tempo e exigiriam grande
disponibilidade de recursos e capacidades. Por exemplo, as culturas de clulas, de
grande utilidade, possibilitam o conhecimento do comportamento e funo de uma
populao isolada de clulas, bem como, o estudo de fenmenos impossveis de
produzir em tecidos intatos, possuem vrias caractersticas desvantajosas e limitantes,
entre as quais se realam: gastos elevados em material; dependncia das condies de
crescimento da cultura; instabilidade da cultura celular e perda de caractersticas de
fentipo; entre outras.
Em relao s culturas de clulas, os simuladores computacionais possuem algumas
vantagens; nomeadamente, o facto de permitirem obter informao de uma forma
mais rpida e flexvel, possibilitando assim a cobertura de mltiplos parmetros do
cenrio de irradiao em causa num curto ciclo de tempo; no existem as limitaes
impostas pela cintica das culturas, isto , instabilidade, risco de contaminao que
inviabiliza a utilizao dos resultados e fora os investigadores a repetir todo o
processo; e o custo associado a simulao do processo largamente inferior, existindo
mesmo simuladores para investigao na rea de domnio publico.
Por outro lado, os simuladores tambm possuem desvantagens, tais como avaliaes
estimadas em resultados experimentais prvios e conhecimentos atuais o por
interpolao destes dados, que pode no ser efetivamente verdadeiro no organismo
vivo; e a modelizao da cintica celular de forma mecanista, que pode subvalorizar ou
sobrevalorizar certos parmetros e resultados, por ltimo os simuladores so limitados
a uma gama de entradas de cada parmetro que nem sempre cobre todos os valores
necessrios para os diversos estudos bem como a exigncia computacional de alguns
simuladores mais detalhados.
5.4 Monte Carlo Damage Simulation MCDS
Como referido nos modelos de trilhos estruturais, radiaes de baixa LET conduzem
formao de aproximadamente 1000 quebras simples (SSB) e 40 quebras duplas (DSB)
por gray (GY) numa clula de mamfero tpica. O nvel de danos provocados e bases
estimado em 2500 para 25000/Gy/clula e, para alm dos danos isolados, a radiao
ionizante tem a capacidade de produzir tambm mltiplos locais de danos (Multiply
Damage Sites - MDS), que consistem em dois ou mais danos elementares num curto
espao de hlices enroladas em torno do ADN. As quebras isoladas ou mltiplas em
cada cadeia de ADN so detetadas como SSB na maioria dos ensaios. Por outro lado,
DSB so formadas quando pelo menos duas quebras do ADN se formam em
proximidade nas cadeias opostas do ADN. As DSB e outras classes de MDS so,
geralmente, as causas primrias de induo de apoptose por radiao ou mutagnese.
Informao detalhada sobre o espectro de possveis configuraes de danos induzidos
pela radiao ionizante frequentemente obtida pelo uso de simuladores de trilos
estruturais Monte Carlo em combinao com modelos geomtricos do ADN e da
Cromatina.
O simulador de danos Monte Carlo (MCDS), um mtodo simplitas e rpido para a
produo do espectro de danos no ADN que apresenta apenas quatro parmetros
ajustveis, dois dos quais podem ser restringidos a um intervalo de valores razoveis
com base em resultados experimentais, (Semenenko e Stewart 2004).
Sendo estes parmetros: nmero de quebras/Gy/clula (Sb), nmero de danos a bases
do ADN/Gy/clula (Bd), comprimento do segmento de ADN medido em pares de bases
(bp)/Gy/clula (nseg) e comprimento mnimo de ADN no danificado entre danos
elementares entre segmentos vizinhos medido em pares de bases (Nmin). O algoritmo
do simulador processa-se em duas fases: 1) distribuio aleatria no segmento de ADN
(parmetro nseg) do nmero esperado de danos elementares produzidos numa clula
por uma determinada quantidade e qualidade de radiao e 2) subdiviso da
distribuio de danos elementares no segmento em leses, sendo aqui determinante o
parmetro Nmin, consultar figura 8.
Ilustrao 8: Representao esquemtica do simulador MCDS
O algoritmo do simulador MCDS pode ser descrito pelos seguintes passos:
A primeira fase, distribuio aleatria dos danos do ADN composta por 5 passos:
1. Computao dos parmetros para uma especfica dose absorvida D (Gy). O
comprimento do segmento por clula dado por:
= ;
J o nmero total de quebras por clula dado por:
= ;
Sendo g um fator de escala adimensional que pode ser utilizado para ajustar o
rendimento absoluto das leses de ADN para melhor mimetizar as
observaes experimentais para cada tipo de clula. Quando o tipo de clula
desconhecido, o valor de g deve ser unitrio. Este valor para clulas
eucariticas pode ser aproximado a razo entre o contedo de ADN da clula
em estudo com o contedo da clula de mamferos (6x109 bp).
O nmero de danos de base/clula pode ser calculado atravs do nmero de
quebras por clula pela equao:
= .
Nmero de quebras/Gy/clula (Sb)
Nmero de danos debases/Gy/clula (Bd)
Comprimento do segmento de ADN (nseg)
Comprimento mnimo do segmento no danificado (Nmin)
Parmetros Inicias
Distribuio aleatoria dos danos no ADN
1 Fase
Subdiviso dos danos em leses
2 Fase
2. Seleo aleatria de um par de nucletidos a partir do segmento de ADN, ou
seja, seleo de um integral distribudo de forma uniforme no intervalo [1,
Nseg].
3. Seleo aleatria da cadeia de ADN (cadeia 1 ou 2). Caso o nucletido
selecionado no seja danificado, procede-se ao registo da quebra na
localizao, caso contrrio retorna-se ao passo 2.
4. Criao de um relgio
= 1;
> 0 , 2.
5. Repetio dos passos 2 a 5 para os danos nas bases.
Na segunda fase do algoritmo, subdiviso dos danos em leses, Nmin o parmero que
determina a forma de agrupamento dos danos elementares em leses, segundo a
propriedade de que danos separados por pelo menos Nmin pares de bases so tratados
como leses diferentes, consultar figura 9.
Ilustrao 9: Representao esquemtica do processo de agrupamento de danos em leses (Semenenko e
Stewart 2004)
O algoritmo da segunda fase descrito nos seguintes quatro passos:
1. Iniciar a contagem no fim o segmento de ADN e localizar o primeiro dano
elementar em cada uma das cadeias de ADN o em ambas. Iniciar a leso do
ADN aquando da localizao do dano elementar ou dos diversos danos
elementares.
2. Comeando no par de base apos o ultimo dano elementar identificado,
proceder movimentao ao longo do segmento de ADN, na mesma direo e
contar o nmero de pares de bases no danificadas antes do prximo dano
elementar detetado. Caso o fim do segmento seja atingido antes de se
encontrar outro dano elementar, considerar a leso do ADN na localizao do
ltimo dano detetado e finalizar o processo.
3. Caso o nmero de pares de base no danificadas for Nmin registar o fim da
poo da leso na ltima localizao de dano elementar detetado. De seguida
registar a posio de incio da prxima leso na localizao do ultimo dano
elementar desta.
4. Retornar o passo 2.
Uma vez concludo o processo de agrupamento dos danos elementares do ADN em
leses, estas podem ser analisadas em termos de natureza de distribuio espacial dos
danos elementares que as formam, (Semenenko e Stewart 2004).
O estudo realizado por Semenko e Stewart em 2004 onde comparam o desempenho
deste simulador com outros aceites pela comunidade cientifica mostram resultados
muito semelhantes em todas as gamas de radiaes utilizadas, tornando este
simulador muito til devido a sua simplicidade e rapidez a juntar a sua eficincia nos
resultados, consultar imagem 10.
Ilustrao 10: Comparao do espectro de danos obtido com o mtodo de Monte Carlo rpido e detalhado
(Semenenko e Stewart 2004)
5.4.1 Informao de Entrada e Sada
O simulador MCDS consiste num algoritmo simplificado do cdigo Monte Carlo re-
parametrizado de forma a fornecer informao (outputs) sobre o rendimento das
leses no ADN (DSB, SSB e locais de mltiplos danos de bases) aps simulao com
eletres, protes e partculas alfa de diferentes radioistopos. Os ficheiros de sada
fornecem informao sobre as caractersticas de vrias classes de danos do ADN,
incluindo o nmero mdio de leses por conjunto de danos do ADN e comprimento
medio do conjunto de danos em pares de bases (bp).
Para a realizao da simulao basta introduzir na linha de comando: MCDS {nome do
ficheiro de input}.inp. Esta linha inicia de imediato o simulador e cria o ficheiro de
output, que semelhana do ficheiro de input um ficheiro de texto em formato
ASCII.
O ficheiro de input do simulador inclui os seguintes parmetros:
SEED: gerador aleatrio de nmeros, integral entre 1 e 2147483646.
Quando um valor negativo ou nulo atribudo neste parmetro, a
semente ser determinada pelo sistema relgio.
NUMBER OF CELLS: Todos os resultados produzidos pelo simulador sero
reportados como valores mdios e desvio padro, pelo que, este
parmetro especifica o nmero de ensaios corridos pelo simulador para o
clculo dos valores.
PARTICLE: Smbolo de partculas radioativas carregadas, exemplo, e para
eletres, 1H para protes e 4H para partculas alfa.
PARTICLE ENERGY: Energia da partcula expressa em MeV. O valor mnimo
para a simulao de 0.00008 MeV para eletres, 0.105 MeV para
protes e 2 MeV para partculas alfa.
FRACTION BL/BD: Este parmetro especifica a frao de locais de perda
de pares de bases no nmero total de bases danificadas. Na ausncia
desta informao, o valor por defeito 0.
DMSO SIMULATION PARAMETERS: O simulador tem como modelo
extraordinrio a simulao na presena de molculas endgenas
capturadoras de radicais livres (scaenger), pela especificao da
quantidade de DMSO. Para simular um ambiente celular normal, este
parmetro deve tomar o valor 0, fazendo com que os outros dois valores
deste parmetro no apresentem impacto sobre os resultados da
simulao.
Por seu lado, o ficheiro de output fornece informaes sobre:
Tempo de execuo: Tempo necessrio para terminar a simulao em
minutos.
Resumo da informao de input:
o Tipo de radiao, energia cintica da radiao em estudo versus
energia cintica mnima para simulao, energia da massa da
partcula em repouso em MeV e velocidade da partcula em estudo
em relao velocidade da luz;
o Parmetros de informao de danos e conjuntos de danos usados
pelo simulador MCDS, inclui: nseg (este parmetro aumenta com o
aumento da energia das partculas), St, Bd, f, Nmin (geralmente
atribui-se o valor 9, sendo o mximo de distancia entre duas
quebras para que sejam consideradas quebras duplas (DSB) de 10
pares de bases).
o Cpia dos dados de input para simulao com DMSO.
Resultados da simulao:
o Rendimento de danos agrupados de acordo com o esquema de
classificao de Nikjoo e colaboradores (ver seco 3.4.1), expresso
em percentagem, (Nikjoo 1997 e 2001).
o Rendimento das diferentes classes de danos (DSB, SSB e mltiplos
locais de danos de bases) por Gy por clula.
o Composio do conjunto de leses, isto , percentagem de quebras
das hlices do ADN ou danos a bases.
o Comprimento da leso em bp para diferentes classes de danos.
o Nmero de leses por comprimento de leses.
5.5 Monte Carlo Excision Repair MCER
Grupos de vrios nucldeos danificados numa ou em ambas as hlices de ADN,
frequentemente denominadas danos mltiplos (clustered damage) so caractersticos
da radiao ionizante. Por outro lado, os processos endgenos produzem leses
isoladas, retirando as clulas com processos de reparao de ADN deficientes, nas
quias danos mltiplos podem ser observados. Os danos mltiplos so potencialmente
mais difceis de reparar, pois as enzimas de reparao podem nem sempre possuir o
molde correto para a reparao dos nucldeos danificados (ver seco 3.5).
O modelo de reparao por exciso Monte Carlo, MCER, simula os passos essenciais no
processo de reparao por exciso de todas as classes de leses simples e mltiplas
que no DSB. O diagrama da figura 11 representa de forma esquemtica o modo de
funcionamento do modelo MCER.
Ilustrao 11: Representao esquemtica d modo de funcionamento do modelo MCER (Tavares 2007). (NS=
nmero de danos simples ou mltiplos no segmento; NL= nmero de leses; NM= nmero de mutaes (substituies de bases) durante o processo de reparao; DSBR= DSB radioinduzidas).
Os doze passos essenciais do modelo MCER incluem, (Semenenko 2005):
I. Criao de um segmento danificado: realizado pelo simulador MCDS.
II. Seleo do dano mltiplo: por forma a selecionar o dano mltiplo para
reparao, o simulador MCER percorre todo o segmento de ADN at encontrar
um dano simples ou mltiplo usando a metodologia descrita no simulador
MCDS.
III. DSB radioinduzidas: estas DSB, ao contrrio das DSB enzimticas, que so
formadas durante os processos de reparao do ADN, so induzidas
diretamente pela radiao. A contagem destas DSB segue o mesmo processo
do algoritmo MCDS, contudo, quando um dano mltiplo destetado no
classificado como DSB o processo de reparao por exciso iniciado.
IV. Seleo da leso de entre as leses mltiplas: o processo de reparao por
exciso inicia-se pela seleo da leso alvo para remoo. O processo de
seleo decorre em duas etapas, 1) um das cadeias de ADN selecionada e 2)
uma leso selecionada dentro da cadeia em estudo. A seleo da cadeia de
ADN ditada pela probabilidade P1, sendo que, P1=0.5 ambas as cadeias tm a
mesma probabilidade de serem selecionadas e quando este valor se aproxima
do 0 ou 1, todas as leses na cadeia selecionada so preferencialmente
removidas antes das leses na cadeia oposta serem reparadas. Esta escola
preferencial relaciona-se com informaes obtidas em estudos prvios. A
seleo da leso dentro da cadeia, quando leses mltiplas esto e estudo
feita de forma aleatria.
V. Seleo do processo de reparao: uma vez selecionado o nucletido para
remoo, a via responsvel pela remoo da leso e determinada. A
contribuio relativa de cada via de reparao para o processo global de
remoo de danos determinada por 3 probabilidades: PSP, PLP, PNER, cuja soma
1.
VI. Seleo do tipo de substituio: a substituio SP-BER caracterizada pela
substituio de um nico nucletido danificado. Para o tipo LP-BER e NER, os
quais envolvem a remoo de mais do que um nucletido, a simulao da
exciso d
Recommended