Radiobiología
La radiobiología es la ciencia que estudia los efectos que se producen en los seres vivos tras la exposición a energía procedente de las radiaciones ionizantes.
Dos grandes razones que han impulsado la investigación de los efectos biológicos de las radiaciones ionizantes sobre la materia viva son la protección radiológica, para poder utilizarlas de forma segura en aplicaciones médicas o industriales que las requieran, y la radioterapia donde las radiaciones ionizantes se utilizan principalmente para el tratamiento de neoplasias buscando preservar al máximo los órganos críticos (tejido sano).
Los efectos de las radiaciones ionizantes sobre los seres vivos se pueden clasificar desde distintos puntos de vista:
Los efectos, de distinto orden, de las radiaciones ionizantes sobre la materia viva son el resultado final de las interacciones físicas (ionización y excitación) de los fotones o partículas con los átomos que la componen.
Los efectos de la radiación sobre los seres vivos pasan por sucesivas etapas que se ordenan aquí según su escala de tiempo, de menor a mayor.
Es una respuesta inmediata que ocurre entre billonésimas y millonésimas de segundo. En esta etapa se produce la interacción de los electrones corticales con los fotones o partículas que constituyen el haz de radiación. Los electrones secundarios originados en la interacción, excitan e ionizan a otros átomos provocando una cascada de ionizaciones. Se estima que un Gray de dosis absorbida produce 100.000 ionizaciones en un volumen de 10 micras cúbicas.
Esta etapa es de un orden ligeramente mayor estando en una escala de entre una millonésima de segundo y un segundo. Es el proceso de la interacción de los radicales libres resultantes de la radiólisis del agua, que originan una serie de reacciones químicas con moléculas de solutos presentes en el medio irradiado y que producirán la inducción de un cierto grado de lesión biológica. Cuando las radiaciones interaccionan con la materia viva se producen fenómenos fisicoquímicos, pues la ionización y excitación suponen un incremento de energía para las moléculas, lo que compromete su estabilidad; dependiendo de la importancia de la molécula afectada, la lesión biológica será más o menos importante.
Los efectos biológicos derivan, en gran parte, de la acción de las radiaciones sobre el agua debida, por un lado, a la elevada presencia de las moléculas de agua en los seres vivos y por otro, al hecho de ejercer como disolvente de otras moléculas cuando tienen lugar importantes reacciones químicas. Aunque la acción de las radiaciones sobre el agua o radiólisis del agua es una suma de procesos complejos, puede simplificarse resumiéndose en dos casos:
La descomposición molecular del agua y la formación de radicales libres.
En primer lugar, la radiación incidente sobre las moléculas de agua puede ionizarlas de tal manera que deja un ion H2O+ y un electrón libres. A este electrón se le llama electrón acuoso pues es muy lento ya que casi toda la energía se ha invertido en arrancarlo de la molécula. El ion H2O+ es muy inestable y rápidamente se descompone en un H+ y en un radical OH·. El electrón acuoso puede reaccionar con otras moléculas orgánicas o con una segunda molécula de agua produciendo radicales H· e iones hidroxilo OH-. Los radicales H· y OH· son moléculas neutras con gran reactividad química pues tienen un electrón desparejado que con muy poco esfuerzo tenderá a crear enlaces y robar así átomos a otras moléculas que en el peor de los casos podrían ser biomoléculas funcionales tales como proteínas o nucleótidos.
Los iones hidroxilo y los protones libres al ser partículas con cargas opuestas no son peligrosos pues tenderán a atraerse neutralizándose y formando de nuevo agua. Pero las moléculas radicales neutras sí son peligrosas pues quedarán a la deriva por la célula hasta afectar alguna molécula de importancia biológica.
Existe también la posibilidad más directa de formar los radicales libres con la sola excitación inducida a partir de la radiación de una molécula de agua. Los fenómenos que se producen al excitarse la molécula de agua, no son bien conocidos, pero teóricamente es posible la disociación de esta en radicales H· y OH·. De una manera u otra se forman radicales que no poseen electrones apareados, lo que los hace altamente reactivos, bien como agentes oxidantes o reductores.
Los radicales se distribuyen de forma heterogénea a lo largo de la trayectoria de radiación, dependiendo de la transferencia lineal de energía de radiación. Una buena parte de ellos se pierden en reacciones neutralizadoras combinándose de la siguiente forma.
Pero otros se propagan pudiendo llegar en última instancia a atacar las cadenas de ADN si estos han sido generados en el núcleo celular.
El oxígeno es un potente radiosensibilizante, es decir, aumenta el efecto de la irradiación. Cuando la TLE (LET en inglés) es baja, es necesario en ausencia de oxígeno (anoxia) multiplicar la dosis por un factor de 2,5 a 3 para obtener el mismo efecto que en presencia de oxígeno. Se llama OER (del inglés Oxigen Enhancement Ratio) o razón de aumento de oxígeno, al número de dosis necesaria para obtener el mismo efecto según condiciones de anoxia o de oxigenación normal. El oxígeno, al combinarse con los radicales libres, produce un aumento de la vida media de éstos y la fijación del daño radioinducido.
Las moléculas donadores de H, como las que contienen grupo sulfhidrilo (-SH), pueden neutralizar los radicales libres, teniendo un papel protector, ya que se ha demostrado que el aumento o disminución en los niveles intracelulares de grupos -SH, origina cambios paralelos en la supervivencia celular. Actualmente se está probando el uso de ácido hialurónico con buenos resultados.
La etapa biológica se inicia con la activación de reacciones enzimáticas para reparar el daño producido por las radiaciones.
Algunas de estas lesiones serán reparadas y no influyen en la viabilidad celular y otras no serán reparadas con lo que se producirá la muerte celular en interfase, mitosis o incluso después de varias divisiones celulares tras la exposición a la radiación. Las consecuencias biológicas de la irradiación celular se manifiestan mucho tiempo después como:
Las interacciones de las radiaciones ionizantes pueden traducirse en alteraciones en la bioquímica celular, cadenas de hidratos de carbono, cambios estructurales en las proteínas, modificaciones en la actividad enzimática, que a su vez repercuten en alteraciones de la membrana celular, las mitocondrias y los demás orgánulos de la célula. Pero en donde más estudios se han realizado, es en las acciones de la radiación sobre los elementos del núcleo celular, sobre el ADN.
El número de lesiones inducidas por radiación es mucho mayor que el que ocasionalmente provoca la muerte de las células. La dosis letal media (D0) es la dosis de radiación que origina aproximadamente una lesión letal por célula y que destruirá al 63% de éstas, siendo aún viables el 37% restante. El valor de dosis letal media en células epiteliales humanas bien oxigenadas es de aproximadamente 3 Gy. El número de lesiones que se detectan en el ADN inmediatamente después de irradiar a una dosis "D0" ha sido estimado en:
El daño producido en el ADN por las radiaciones ionizantes es crítico para la muerte celular radioinducida. Existen múltiples pruebas que demuestran esta hipótesis como son:
La lesión del ADN es de vital importancia en radioterapia para combatir las células tumorales.
La radiación produce distinto tipo de lesiones en el ADN entre las que destacan:
La radiosensibilidad es la magnitud de respuesta de las estructuras biológicas, provocada por las radiaciones ionizantes. Un elemento biológico es más sensible cuanto mayor es su respuesta a una dosis determinada de radiación. El elemento biológico es más radiosensible cuando necesita menos dosis de radiación para alcanzar un efecto determinado. El concepto opuesto a radiosensibilidad, es radioresistencia. No existe célula ni tejido normal o patológico radioresistente de forma absoluta; pues si se aumenta ilimitadamente la dosis, siempre se puede alcanzar su destrucción. Administrando dosis mínimas en órganos o tejidos, se observaran diferentes grados de alteraciones morfológicas o funcionales, según las líneas celulares de que se trate.
Las células presentan diferente grado de sensibilidad a la radiación, según la estirpe o línea celular. Tomando como punto de referencia, la muerte celular, pueden clasificarse en cinco grupos de mayor a menor sensibilidad:
La radiosensibilidad celular está regida por una serie de determinantes que han sido estudiados y aplicados a todas las células del organismo, enunciándose unas leyes biológicas, que conceden mucha importancia a la actividad mitótica, siendo las más importantes:
Tras irradiación ocurren distintos procesos que pueden afectar a la viabilidad celular, a su funcionalidad o a la aparición de mutaciones que son: inducción del daño, procesamiento y manifestación del daño.
La radiosensibilidad es la forma en la que se manifiesta la acción biológica producida por la radiación sobre una determinada población celular o tejido. Datos experimentales demuestran que :
El daño inicial es el que se produce en la molécula de ADN inmediatamente después de la irradiación y debe ser medido antes de que los sistemas de reparación celulares puedan actuar. Para poder cuantificar experimentalmente este daño, las células se irradian a 4 grados centígrados, temperatura a la que los mecanismos de reparación del ADN están inhibidos. El daño inicial se expresa como el número de lesiones producidas por unidad de dosis. Los modificadores del daño inicial son:
La reparación del ADN es el mecanismo celular que restablece la secuencia del ADN a su estado original previo a la inducción de lesiones provocadas por la radiación. Las células humanas poseen una importante capacidad para reparar el daño producido en su ADN, que varían en velocidad, capacidad y fidelidad y por ello se explica las diferencias de radiosensibilidad en las distintas poblaciones celulares.
Existen diferentes mecanismos en células humanas para la reparación de las lesiones radioinducidas en el ADN como son:
Aunque la radiación lesiona y puede destruir tanto a las células cancerosas como a las normales, estas últimas pueden repararse y recuperar su funcionamiento adecuado.
Los principales mecanismos radiobiológicos de respuesta de los tumores a la irradiación se describen habitualmente como «las 5 R de la Radioterapia» que son: