La radiación y los seres vivos Curso Directores Instalaciones RX H.U.C.A. Oviedo 2010 Miguel A....

La radiación y los seres vivos

Curso Directores Instalaciones RX

H.U.C.A. Oviedo 2010

Miguel A. Peinado MontesMiguel A. Peinado MontesSº Física Médica y P.R. - Sº Física Médica y P.R. - H.U.C.A.H.U.C.A.

Protección Radiológica

Valorar la existencia de un riesgo asociado al uso de las radiaciones ionizantes (rr.ii.).

Comprender la responsabilidad y potestad del especialista para tomar las decisiones necesarios a la hora de utilizar técnicas que impliquen dichas rr.ii.

Protección Radiológica

Evidencias∟Daño provocado por las rr.ii.

Ciencia básica∟ADN, energía y tejidos∟Factores

Efectos somáticos∟Clasificación

Evidencias∟Daño provocado por las rr.ii.

Ciencia básica∟ADN, energía y tejidos∟Factores

Efectos somáticos∟Clasificación

Evidencias Los efectos biológicos de las rr.ii. se conocen

desde poco después del descubrimiento de los isótopos o de los rayos X

1896

Mar 1896: Comienzan las demostraciones (Edison + Dally)

Abr 1896: Se informa de la primera epilación por irradiación

Nov 1898: Confirmación del origen radiológico de las lesiones observadas1898: Tratamiento de un lupus con rayos X

1904: Muere M. Dally como resultado de las radiaciones1906: Bergonié y Tribondeau enuncian sus leyes

∟ Probabilísticos

∟ Conllevan una latencia∟ Inespecíficos∟ Siempre lesivos

Radiaciones (ionizantes)

190.000 víctimas en una población de 590.000

4000 víctimas5000 previstas en regiones contaminadas

…y muchas más evidencias…

Chronic skin injury due to Chronic skin injury due to cumulative skin dose of ~20 cumulative skin dose of ~20 Gy from coronary Gy from coronary angiography and 2 angiography and 2 angioplastiesangioplasties

RT: 50 Gy + 1 GyRT: 50 Gy + 1 Gy

DOSIS EFECTIVA mSvDOSIS EFECTIVA mSv

EXCESO DE EXCESO DE CÁNCER (%)CÁNCER (%)

2525 5050 7575 100100 125125 150150

22

44

66

88

1010

00

TAC PEDIÁTRICOTAC PEDIÁTRICO

SUPERVIVIENTES DE SUPERVIVIENTES DE EXPUESTOS A BAJAS EXPUESTOS A BAJAS DOSISDOSIS

D.J. Brenner AJR 2001D.J. Brenner AJR 2001

Fuentes de radiación Fuentes de radiación

Radón

Rayos X

Productos Consumo

Centrales nucleares

Residuos

Medicina Nuclear

Radiación Solar Rayos Cósmicos

Radiación

Terrestre

Alimentación

Humana

Fuentes artificiales Dosis debidas al diagnóstico médico*

Actualmente en los paises desarrollados se estima que la dosis debida al radiodiagnóstico es de 0.8 – 1.0 mSv

Radon 2 mSv (55%)

Cósmica 0.27 mSv (8%)

Rocas/suelo 0.28 mSv (8%)

Alimentación 0.4 mSv (11%)

Rayos X 0.4 mSv (11%)

Medicina Nuclear 0.14 mSv (4%)

Productos consumo 0.1 mSv (3%)

Otras fuentes <0.01 mSv (<1%)(incluidas centrales nucleares)

(*) UNSCEAR 2000

Fuentes artificiales No es ético negar a un paciente el

acceso a la asistencia médica Impacto de las irradiaciones con

fines diagnósticos* Causa de entre el 0,6% y el 1,8% (según pais)

del riesgo de contraer cáncer en personas de hasta 75 años.

Hasta el 30% de los RX tórax pueden no estar indicados.

(*) A. Berrington de González, S. Darby. The Lancet 363(9406) pp. 345-351 (2004)

¿Qué hacer? Resonancia social

Estudio epidemiológico inviable(1)

Ciencia básica

Princ. de prudencia

a) Linealb) Aumento riesgoc) Disminución riesgod) Umbrale) Hormesis

5.0 mSv 100mSv(1) Brenner et al. PNAS 2001

Ciencia básica

Por qué∟ Teoría del blanco∟ Factores que

influyen∟ Células y tejidos

Radiaciones Ionizantes

13

Los rayos X se caracterizan por su capacidad para ionizar la materia que atraviesan.

El átomo resultante (ión) es químicamente activo

Teoría del blanco La radiación impacta sobre “blancos”

insustituibles celulares (ADN).∟ Identifica el origen del daño biológico∟ Determina la naturaleza probabilística del daño

El daño biológico se produce por la creación de radicales libres en el medio acuoso celular.∟ Explica la incidencia de efectos biológicos según

la dosis

Etapas del daño celular Física. Se deposita la energía en:

∟ADN∟Orgánulos∟Proteinas libres (enzimas…)∟Medio acuoso (70% - 85%)

Química∟producción de “pre” radicales del agua (H2O+, H20● y esub)

∟Reducción radicales del agua∟Producción radicales libres

Biológica∟ Ruptura del ADN∟Reparación∟Replicación

Etapa biológica

Unión cruzada DNA-DNA

Unión cruzada DNA-proteína

Dímero de bases pirimidínicas Pérdida de bases

Cambio de bases

Rotura de la doble hebraRotura de puentes de hidrógeno

Rotura de la hebra simple

Las lesiones radioinducidas en el ADN son diversas: roturas, cambios en las bases, uniones cruzadas

En algunos casos, las lesiones en el ADN se traducen en aberraciones cromosómicas, cuyo recuento puede utilizarse para estimar la dosis absorbida (dosimetría biológica)

Tipo rotura

Frecuencia (por Gy)

Simple(subletal)

500 – 1000

Doble(Letal)

40

Bases nitr. 800 – 1000

U. cruzada 150

Otros

Etapa biológica (reparación) Reparación de bases dañadas

∟ Escisión de bases∟ Escisión de nucleótidos

Reparación de roturas simples de cadena∟ Mediante escisión de bases∟ Gen que codifica el enzima nuclear PARP-1

Reparación de roturas dobles de cadena∟ Recombinación de cromosomas homólogos∟ Genes que codifican ku70, ku80, DNA-PCK, ligasa iV, Xrcc4

además de ATM y ATR. También BCRA1 y BCRA2.∟ Unión de extremos no homólogos

Mecanismos de reparación variables en velocidad, capacidad y fidelidad

Predisposición genética a la radiosensibilidad o radioresistencia

Explican parcialmente la diferencia de radiosensibilidad de las distintas poblaciones celulares

Mecanismos de reparación variables en velocidad, capacidad y fidelidad

Predisposición genética a la radiosensibilidad o radioresistencia

Explican parcialmente la diferencia de radiosensibilidad de las distintas poblaciones celulares

Mayor sensibilidad a la radiación

El ciclo celular G1=Reposo: se replican las componentes

nucleares S=Sintesis: Del ADN durante los últimos 2/3 G2=Reposo: Previo a la división celular M=mitosis: División celular

Factores físicos:∟LET (Transferencia Lineal de Energía).∟Tasa de dosis.∟Fraccionamiento de dosis (RT).

Agentes químicos:∟Radiosensibilizadores (O2: rad libres). ∟Radioprotectores: cisteína y cisteamina

(grupo –SH).

Factores biológicos:∟Momento del ciclo celular (tiempo para

reparar las lesiones).∟Genéticos (capacidad para reparar las

radiolesiones).

Factores que influyen en el daño biológico

LET (Transferencia Lineal de Energía)Dosis equivalente

Factores físicos

• Masa

• Carga (+, -)

Ligeras

Pesadas

Fraccionamiento de dosis

Dosis

D1 D2

D3

D4

D5

0,01

1

0,1

(Dosis en 1 fracción)

(Dosis en 2 fracciones)

(Dosis en 3 fracciones)

(Dosis en 4 fracciones)

(Dosis en 5 fracciones)

Tasa de dosis

Dosis

Tasa de dosis baja (10 rads/min)

Tasa de dosis alta(100 rads/min)

0,01

1

0,1

Fra

cció

n de

sup

ervi

venc

ia

Dosis absorbida: Energía depositada por unidad de masa◦ D = dE/dm; [D] = Gy

Dosis equivalente: Dosis absorbida ponderada por el tipo de radiación◦ HT = R wR.DT,R; [HT] = Sv

Dosis efectiva: Dosis equivalente ponderada por los tejidos irradiados E = T wT.HT; [E] = Sv

Detección y medida de la radiación

22

Magnitudes y Unidades

23

**** **

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AbsorbidAbsorbidaaCantidad Cantidad de agua de agua que te que te alcanzaalcanza

EquivaleEquivalentente• AguaAgua• GranizoGranizo• PedrizoPedrizo

EfectivaEfectivaParte del Parte del cuerpo cuerpo donde donde impactanimpactan

Otros mecanismos de daño celular Respuesta adaptativa

∟Una dosis dada causa un menor daño biológico si fue precedida por una dosis baja y un periodo suficiente de reposo.

Dosis condicionante

Efecto

Dosis provocadora

Efecto

Dosis condicionante

Dosis provocadora

Efecto

Otros mecanismos de daño celular Efectos no dirigidos

∟ Inestabilidad genómica: El efecto causado es sobre los genes que codifican los mecanismos de replicación con lo que aumenta la probabilidad de daño en la progenie.

∟Efecto de vecindario (bystander): Efectos observados en células adyacentes que no han sufrido irradiación.

Daño celular

Reparación

Mitosis

Mitosis Línea celular normal

Cepa inviable(necrosis)

Cepa viable

Línea celular inocua

Línea celular “anómala”

Eliminación por el sist. inmunológico

Carcinogénesis

Anomalía hereditaria

MemoriaMemoria

Efectos somáticos Cuanto más indiferenciada sea la célula que

sufre la irradiación. Cuanto más actividad mitótica tenga la célula

PONDERACIÓN DE LOS PONDERACIÓN DE LOS DISTINTOS ÓRGANOS SEGÚN SU DISTINTOS ÓRGANOS SEGÚN SU RADIOSENSIBILIDAD, RADIOSENSIBILIDAD, wwT, T, ICRP-ICRP-6060 : :

0,01 0,05 0,12 0,20

Hueso Vejiga Médula ósea Gonadas

Piel Mama Colon

Hígado Pulmón

Esófago Estómago

Tiroides

Resto

SUMA = 1SUMA = 1SUMA = 1SUMA = 1

Efectos somáticos

Muy Bajas dosis• Pocas interacciones• 1 por célula

Bajas dosis• Más interacciones• Álgunas células sufren

varios impactos Dosis medias

Algunos genes sufren varias interacciones

Dosis áltas• Muchas células afectadas• Varias interacciones/gen

Efectos somáticos Muy Bajas dosis

• Pocas interacciones• 1 por célula

Bajas dosis• Más interacciones• Álgunas células sufren

varios impactos Dosis medias

Algunos genes sufren varias interacciones

Dosis áltas• Muchas células afectadas• Varias interacciones/gen

Efectos somáticos Muy Bajas dosis

• Pocas interacciones• 1 por célula

Bajas dosis• Más interacciones• Álgunas células sufren

varios impactos Dosis medias

Algunos genes sufren varias interacciones

Dosis altas• Muchas células afectadas• Varias interacciones/gen

Daño subclínico*

Efectos probabilísticos

Daño clínico

Efectos deterministas

Deterministas o no estocásticos∟ Dosis relativamente elevadas, daño funcional∟ Tienen una dosis umbral∟ La gravedad del efecto aumenta con la dosis∟Tiempo de latencia “corto”

Estocásticos o probabilísticos∟ Dosis bajas, sin daño funcional∟No tienen umbral de dosis∟ Su probabilidad aumenta con la dosis∟ La gravedad del daño no depende de la dosis.∟Tiempo de latencia largo (> 5 años)

Hereditarios vs. somáticos

Tipos de efectos

Efectos deterministas Según dosis

• Altas (>10 Gy).• Moderadas (1 -10 Gy).• Bajas (<1 Gy).

Reparación (cicatriz) vs regeneración (nuevas células).

Cambios• Iniciales (< 6m): reversibles o irreversibles.

Inflamación, edema y hemorragia.• Tardíos: permanentes, irreversibles y progresivos.

Fibrosis, atrofia, ulceración, necrosis... Según latencia (agudos y tardios)

Dependen del tejido irradiado

Efectos deterministas

© CSN– 2009 36

Infección

Sistemahematopoyético

Sistema Inmune

Sistema gastrointestinal

Piel

Testículo

Ovario

Pulmón

Cristalino

Tiroides

Sistema nerviosocentral

InfeccionesHemorragias

Esterilidad

Inmunosupresiónsistémica

DeshidrataciónDesnutrición

Escamación

Esterilidad

Neumonía

Cataratas

Deficienciasmetabólicas

Encefalopatías ymielopatías

2 semanas

Algunas horas

1 semana

3 semanas

2 meses

< 1 mes

3 meses

> 1 año

< 1 año

Muy variablesegún dosis

0,5 2,0

0,1 1,0

2,0 5,0

3,0 10,0

0,2 3,0

0,5 3,0

8,0 10,0

0,2 5,0

5,0 10,0

15,0 30,0

LeucopeniaPlaquetopenia

Linfopenia

Lesión del epiteliointestinal

Daño en la capabasalAspermia celular

Muerte interfásicadel oocito

Fallos en la barreraalveolar

Fallos en lamaduración

Hipotiroidismo

Demielinización ydaño vascular

Tejido EfectoPeriodo de

latenciaaproximado

Umbralaproximado

(Gy)

Dosisefectosseveros

Causa

Respuesta de todo el organismo a la irradiación Dosis letal porcentual en función del tiempo (DL

50/30). ETAPAS:

1º) Prodrómica: N, V y diarreas, cefaleas, vértigo, taquicardia, irritabilidad, insomnio. Minutos hasta días.

2º) Latente: Ausencia de síntomas. Horas hasta semanas.

3º) Enfermedad manifiesta: Síntomas en función del sistema lesionado.

Síndrome de irradiación aguda

Efectos estocásticos

Fundamentos de Protección Radiológica

41

• CáncerCáncer• Hereditarios Hereditarios ((genéticosgenéticos))

Efectos estocásticos

Fundamentos de Protección Radiológica

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A. Berrington de González, S. Darby. The Lancet 363(9406) pp. 345-351 (2004)

∟ Impacto de las irradiaciones con fines diagnósticos• Causa de entre el 0,6% y el 1,8% (según pais) del riesgo de

contraer cáncer en personas de hasta 75 años.• Hasta el 30% de los RX tórax pueden no estar indicados

Estudios Epidemiológicos∟Altas dosis ( > 100 mSv)∟“Bajas dosis” Muestra ~107

Principio de prudencia

a)a) LinealLinealb)b) Aumento riesgoAumento riesgoc)c) Disminución riesgoDisminución riesgod)d) UmbralUmbrale)e) HormesisHormesis

3,5 mSv3,5 mSv 100mSv 100mSv

Efectos…

Se ponen de manifiesto Se ponen de manifiesto en la descendenciaen la descendencia del individuo del individuo irradiado. irradiado.

EFECTOS ESTOCÁSTICOS HEREDITARIOSEFECTOS ESTOCÁSTICOS HEREDITARIOS

No se ha demostrado en humanosNo se ha demostrado en humanos que la radiación induzca que la radiación induzca enfermedades hereditarias. Si hay enfermedades hereditarias. Si hay datos en animales de datos en animales de laboratorio y plantaslaboratorio y plantas. .

La estimación del riesgo de efectos hereditarios se La estimación del riesgo de efectos hereditarios se realizada mediante el método de realizada mediante el método de “Dosis Dobladora”“Dosis Dobladora” (DD). (DD).

DD: DD: Dosis necesaria para producir tantas mutaciones como Dosis necesaria para producir tantas mutaciones como las que ocurren espontáneamente en una generación.las que ocurren espontáneamente en una generación.

DD= 0,82 ± 0,29 GyDD= 0,82 ± 0,29 Gy

Efectos: letalidad o anomalías congénitas manifestadas al nacer o tardíamente (no heredadas).

Retraso mental (proporcional CI). Inducción tumoral (leucemia): 1er Trim.

Mutación en padres (o abuelos) y “transmitido” (genético, heredado).

Efectos sobre el feto y el embrión

PERIODO DE GESTACIÓN RIESGOS MÁS DESTACADOS Dosis

umbralInicio de embarazo Aborto espontáneo 1,0 Gy

2ª-8ª semanas Malformaciones fetales 0,5 Gy

8ª-15º semanas Retraso mental 0,4 Gy

26º sem - Final Escaso riesgo

Según momento de gestación (organogénesis: 1er T).

Efectos sobre el feto y el embrión (2)

Efectos sobre el feto y el embrión (3) Probabilidad de tener un hijo sano

en función de la dosis de radiación:

Dosis absorbida por el

embrión/feto (mGy)

Probabilidad de NO sufrir

malformaciones (%)

Probabilidad de NO desarrollar cáncer entre 0 y 19 años

(%)

00.51

2.55

1050100

97979797979797

próximo a 97

99.799.799.799.799.799.699.499.1

En la interacción de las RI con la materia...En la interacción de las RI con la materia...

Interacción probabilísticaInteracción probabilística

No selectiva en la célulaNo selectiva en la célula

Lesiones inespecíficasLesiones inespecíficas

Periodo de latenciaPeriodo de latencia

Siempre “lesivas”Siempre “lesivas”

Leyes de Bergonié-TribondeauLeyes de Bergonié-Tribondeau(RI (RI más dañina sobre células)más dañina sobre células)

En mitosisEn mitosis

No diferenciadasNo diferenciadas

Largo futuro de divisionesLargo futuro de divisiones

RESUMEN (1)

RESUMEN (2) La radiación impacta sobre “blancos” insustituibles

celulares (ADN). Influye aún más el efecto en el medio acuoso celular

(radicales libres) que luego reaccionan con el ADN Existen multitud de factores que influyen:

∟Físicos (LET) Dosis equivalente∟Químicos (Radiosensibilizadores, radioprotectores)∟Biológicos Dosis efectiva

DETERMINISTAS ESTOCÁSTICOS

Umbral SíNO (cualquier mínima radiación puede producirlos).

Aparición de lesión 100% a partir del umbral.Probabilística, aumenta con la dosis. Curva sigmoidea según “teoría del impacto”.

Gravedad del efecto Aumenta con dosis No depende de la dosis

Ejemplos

Cataratas (cristalino).Lesión hematopoyética.Dermatitis (eritema, descamación, depilación, fibrosis, pigmentación)

Cáncer de diferente localización.Mutaciones genéticas hereditarias (descendencia).

ControlFácil control, con radioprotección.

Difícil. Evitar exposición.

Carácter del efecto Previsibles Imprevisibles

Lesión específica NINGUNA, son inespecíficas NINGUNA

RESUMEN (3)

Conclusiones (2)

El riesgo para el individuo es muy pequeño

∟Gracias a la puesta en marcha de un sistema de Protección Radiológica

∟Gracias a la buena práctica de los profesionales

∟Nunca supera al beneficio

La incidencia sobre la población en su conjunto sí es relevante

Preguntas

Miguel A. Peinado MontesMiguel A. Peinado MontesSº Física Médica – HUCASº Física Médica – HUCA985.10.61.38985.10.61.38