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Dr. Felipe Erlich
Búzios, Rio de Janeiro
28/10/06
Efeitos Biológicos da Radiação
Curso de Radioproteção
Efeitos Biológicos da Radiação
• Parte 1: A absorção de Energia pelos tecidos
• Parte 2: A importância radiobiológica do fracionamento da dose
• Parte 3: Conceitos Radiobiólogicos e sua importância na Radioproteção
Histórico• 1895: raio X
→ enegrecer filmes fotográficos
• 22 de dezembro de 1895→ mão de sua esposa primeira
radiografia humana
• 1896: primeira demonstração pública → radiografia da mão professor de
anatomia Rudolf Albert Van Kolliker
Histórico
• 1898: Antonie Henry Becquerel
→ descobriu radioatividade
• 1898: Marie e Pierre Curie
→ descoberta do rádio
Histórico
• Becquerel: containerde rádio no bolso
02 semanas: eritema⇒ ulceração⇒ cicatrização
• primeiro experimento relatado em radiobiologia
Histórico
• 1901: Pierre Curie repetiu o experimento produzindo queimadura com rádio em seu próprio antebraço
Histórico
• início dos estudos em radiobiologia
• RADIOBIOLOGIA : estudo da ação das radiaçõesionizantes nos tecidos vivos
EXCITAÇÃO
• e- aumenta nível de energia
• NÃO é ejetado
Radiação Não-Ionizante
IONIZAÇÃO
• energia suficiente paraEJETAR e-
• liberação localizada de energia
Radiação Ionizante
Princípios de RadioterapiaPrincípios de Radioterapia
Tipos de RadiaçãoTipos de Radiação
•• IonizanteIonizante•• Não Não IonizanteIonizante
Princípios de RadioterapiaPrincípios de Radioterapia
Especialidade médica que Especialidade médica que utiliza a radiação utiliza a radiação ionizanteionizantecom com
fins terapêuticos.fins terapêuticos.
RadioterapiaRadioterapia
Princípios de RadioterapiaPrincípios de Radioterapia
Unidade de DoseUnidade de Dose
GrayGray (Gy) = J x Kg (Gy) = J x Kg --11
1 1 GrayGray (Gy) = 100 (Gy) = 100 cGycGy
Princípios de RadioterapiaPrincípios de Radioterapia
Tipos de RadiaçãoTipos de Radiação
•• ParticuladaParticulada•• EletromagnéticaEletromagnética
V= λλλλ . fV= V= λλλλλλλλ . f. f
ff
λλλλλλλλ
ELETROMAGNÉTICAS PARTICULADAS
Radiações ionizantes
Raios X: extra-nuclear (desaceleração de e-)Raiosγ: intra-nuclear (isótopos radioativos)
elétrons, prótons, partículas-α, nêutronsπ-meson negativos e íons pesados carregados
Classificação das Radiações Ionizantes
• raios X e raiosγ: → mesma natureza e mesmas propriedades→ diferem na origem
Radiações Eletromagnéticas
diferença de potencial elétrico
elétrons acelerados para altas energias
colisão contra um alvo
parte da energia cinética é convertida
em raios X
RAIOS X
RAIOS γexcesso de energia liberado por núcleos instáveis (isótopos radioativos) em busca da estabilidade
MODELO DE ONDAS MODELO QUÂNTICO
• “riacho” de fótons• “pacotes” de energia
• campo elétrico e campo magnético• perpendiculares
Radiações Eletromagnéticas
C = λ ⋅ v
C ... velocidade da ondaλ ... comprimento da ondav ... frequência da onda
E = h⋅ v
E ... energia do fótonh ... constante de Planckv ... frequência da onda
Modelo Ondulatório
C = λ ⋅ v
• velocidade da onda seria constante (no vácuo: 3 ⋅ 1010 cm/s)
• comprimento de onda e a frequência são inversamenteproporcionais
Modelo Quântico
• a diferença entre uma radiação ionizante e uma radiação não-ionizante estaria no tamanho dos “pacotes” individuais de energiae não à energia total envolvida
• radiação ionizante
→ energia do fóton > 124 eV
→ comprimento de onda < 10-6 cm
E = h⋅ v
• elétrons→ carga negativa e pequena massa → acelerados por diferença de potencial
• prótons→ carga positiva e massa 2.000 vezes maior → maior complexidade e custo para serem acelerados
• partículas-αααα→ núcleo do átomo de He: 02 prótons e 02 nêutrons
→ decaimento de radionuclídeos (U e Ra)
Radiações Particuladas
• nêutrons→ sem carga com massa aproximadamente igual à do
próton
→ não podem ser acelerados eletricamente→ produzidos por desaceleração de um dêuteron ou
fissão nuclear
• partículas pesadas carregadas→ elementos como C, Ne, Ar ou outros com carga
positiva devido à perda de elétrons orbitais
Radiações Particuladas
• partículas carregadas: prótons, elétrons e partículas-αααα
• energia cinética suficiente
• produzem diretamente mudanças químicas e biológicasno meio absorvedor
Diretamente Ionizantes
Absorção dos Raios X
• radiações eletromagnéticas(raios X e raiosγγγγ) e nêutrons
• produzem partículas carregadasque irão produzir os danos químicos e biológicos no meio absorvedor
• raios X e raios γ: produzem elétrons
• nêutrons: produzem prótons e partículas-α
Indiretamente Ionizantes
Absorção dos Raios X
AÇÃO INDIRETA
AÇÃO DIRETA
Dano ao DNA Ação Direta e Ação Indireta
AÇÃO DIRETA
• o dano ao DNA é causado pela partículacarregada diretamente
• predomínio emradiações de alto LET
(partículas-α e nêutrons)
• dano biológiconão podeser modificadoquimicamente
AÇÃO INDIRETA
AÇÃO DIRETA
AÇÃO INDIRETA
• a partícula carregadainterage com outras moléculas(H2O) para produzirradicais livres que irão lesar o DNA
• o dano biológicopode ser modificadoquimicamente
Dano ao DNA Ação Direta e Ação Indireta
AÇÃO INDIRETA
AÇÃO DIRETA
AÇÃO INDIRETA
• ionização da água: H2O � H2O+ + e-
• H2O+ → íon e radical livre (altamente reativo)
• H2O+ + H2O � H3O+ + OH-
• radical hidroxila (OH-) é responsávelpor 2/3 do dano ao DNAcausado porraios X
Dano ao DNA Ação Direta e Ação Indireta
± 10-15 s
10-3 - 10-5 s
horas, dias, meses ou anos
fóton incidente
elétron rápido
radical livre
quebras de ligações químicas (dano ao DNA)
efeitos biológicos
morte celular
carcinogênese
mutação
Estrutura do DNA
• Estrutura do DNA :
• grande molécula em dupla hélice
• duas “fitas” unidas por pontes
de hidrogênio
Tipos de Quebra
• Em uma célula irradiada podem ocorrer :
• quebra de apenas uma fita (quebra simples)
• quebra das duas fitas (quebra dupla)
• quebra simples tem poucas
conseqüências biológicas
- rapidamente reparada
• reparo incorreto = mutação
• duas fitas quebradas em lugares
bem separados : reparo
Quebra Dupla
• Quebras nas duas fitas do DNA em posições opostas ou separadas por algumas bases
• É a lesão mais importante produzida pela radiação
• Mais rara (25x < que a quebra simples)
• Varia linearmente com a dose em baixas doses, e qudraticamente em altas doses
• Promove:• Morte celular• Mutação • Carcinogênese
Quebras do DNA
• Evento de morte celular se correlaciona melhor com eventos de dupla quebra
• Dupla quebra é a lesão mais relevante, resultando na maioria dos insultos biológicos incluindo morte celular...
Reparo de uma Quebra DuplaRecombinação homóloga X Recombinação não homóloga
• Recombinação homóloga • Requer DNA não
danificado – ocorre após a replicação
• Rara / livre de erros
• Recombinação não homóloga (ilegítima)• Lesões pré-mutagênicas
Aberrações Cromossômicas
NÃO LETAIS
LETAIS
Anel Dicêntrico
Ponte de Anáfase
Translocação Simétrica
Deleções Pequenas
Aberrações Cromossômicas Dicêntrico
• Quebra em cada cromossomo ocorre antes da fase S
• Pontos de quebra próximos se unem
• Ocorre a replicação
• Cromossomo bizarro com 2 centrômeros
Aberrações Cromossômicas Anel
• Uma quebra em cada braço de uma cromátide
• Pontos de quebra se unem formando um anel
• Fase S replicação dando origem a cromossomo bizarro
• Quebra ocorre após a fase S
• Pontos de quebra se unem
• Fragmento acêntrico é perdido
• Não é possível haver separação das cromátides
Aberrações Cromossômicas Ponte de Anáfase
Aberrações Cromossômicas Translocação Simétrica (dano não letal)
• Quebras em dois cromossomos antes da fase S
• Pontos de quebra são trocados
• Ativação de oncogenes
Aberrações Cromossômicas Deleção(dano não letal)
• Duas quebras no mesmo braço de um mesmo cromossomo
• Perda do material genético entre as duas quebras
• Associado a carcinogênese(perda de gen supressor)
Aberrações Cromossômicas em Linfócitos Humanos
• Biomarcadores de exposição a radiação
• Freqüência de aberrações assimétricas (dicêntricos e anéis) reflete a dose recebida
• Modelo linear-quadrático• Linear - duas quebras / uma
partícula carregada• Quadrático - duas quebras /
partículas diferentes
Aberrações em Células Tronco
• Letais (dicêntrico)• Danos instáveis, não sustentados• Podem ser usados para estimar exposição
recente
• Não-Letais (translocação)• Danos estáveis, repassado a célula filha• Exposição recente e também após vários anos
(Hiroshima e Nagasaki)
Eficácia do fracionamento e os 4 R´s
Redistribuição no ciclo celular
Reoxigenação das células hipóxicas
Reparo ao dano subletal
Repopulação
R
Redistribuição no ciclo celular
Reoxigenação das células hipóxicas
Reparo ao dano subletal
Repopulação
Eficácia do fracionamento e os 4 R´s
R
Conceitos Fundamentais
Conceito - Morte Celular
Células não-proliferativas(nervos e músculos)
Células proliferativas(epitélio intestinal)
Perda de umafunção específica
Perda da capacidade deproliferação sustentada
(integridade reprodutiva)
Conceitos Fundamentais
�� Para Para RxtRxt da célula da célula tumoraltumoral ::Rxt
Célula tumoral
Perda da integridadereprodutiva
Capacidade reprodutivamantida
Clones sobreviventes(células clonogênicas)
Morte celular
������������������������
Conceitos Fundamentais
� Doses usuais de Rxt para morte celular:
MorteFuncional
Morte Reprodutiva
±±±± 100 Gy < 2 Gy
Conceitos Fundamentais
Conclusão Inicial:
���� Radiobiologicamente:
Morte celular significa
Perda da capacidade proliferativaou
Perda da integridade reprodutiva(perda da capacidade de se dividir continuamente)
• Intérfase - 90 % vida celular
•G 1 (gap1)
•S
•G 2
• Mitose - duplicação celular
•Prófase
•Metáfase
•Anáfase
•Telófase
Ciclo Celular
• Células mais sensíveis na mitose ou próximo a ela
• G2 é uma fase usualmente sensível
• Resistência celular é maior na parte final de S
• G1 é uma fase de duração variada onde seu início é
mais resistente que seu término
Ciclo Celular
• Fase M os cromossomos estão condensados
• Fase mais sensível
• Fase S os cromossomos estão dispersos
• Fase mais resistente
• DNA duplicado, genoma replicado
• Mais fácil o reparo dos danos sub-letais
Ciclo Celular
e-
e-
• Radioterapia apresenta efeito diferente de acordo com a fase do ciclo celular• Sincronização numa fase mais resistente• Entre uma fração e outra, as células caminham para fases mais sensíveis
• Ganho terapêutico, pois esse efeito de redistribuição ocorre para células com rápida proliferação
Redistribuição no ciclo celular
Redistribuição no ciclo celular
Reoxigenação das células hipóxicas
Reparo ao dano subletal
Repopulação
Eficácia do fracionamento e os 4 R´s
R
• Vários agentes químicos e farmacológicos possuem a capacidade de modificar os efeitos biológicos da radiação.
• Oxigênio:
- mais simples
- efeito mais significativo
- implicações práticas óbvias
A importância do Oxigênio
• 1912, Swartz, Alemanha: Reação cutânea mais discreta produzida por aplicador de Rádio quando pressionado contra a pele.
• 1921, Holthusen: Áscaris resistentes à radiação na ausência de O2.
• 1930, Mothram, Inglaterra: Curvas de sobrevida em “fatias” tumorais irradiadas na ausência ou presença de O2.
A importância do Oxigênio
• Para o efeito do O2 ser observado, este deve estar presente durante ou microssegundos após a exposição à radiação (5ms).
• Ação associada aos níveis de Radicais Livres
• Produzem alterações nas moléculas de DNA, que resultam na expressão final do dano biológico.
Momentos da Ação do O2 e seus Efeitos
• O2 reage com o radical livre – formação de um peróxido orgânico.
• Alteração da composição química do material exposto: Impede auto-reparação, fixação do dano.
Momentos da Ação do O2 e seus Efeitos
Hipóxia Crônica e Aguda
• Crônica:
• Descrita em 1955: Thomlison e Gray
• Resulta da difusão dificultada de O2 pela distância das células a partir do capilar.
• Estudos em células do epitélio brônquico – células em
contato entre si, nutridas entre a partir do estroma.
Hipóxia Crônica
• Difusão do O2 através do tumor a partir do capilar.
• Medir a distância que o O2 é capaz de percorrer�70 a 150µm
• Células intermediárias: Concentração de O2 suficiente para mantê-las viáveis, mas não o suficiente para torná-las radiossensíveis.
Hipóxia Aguda
• Parada temporária da vascularização.
• Ocorre na maioria das vezes em pontos do tumor.
• Hipóxia intermitente.
Hipóxia Crônica e Aguda
• Diferença entre hipóxia crônica (difusão limitada) e aguda (oclusão capilar temporária).
Mecanismos de Reoxigenação
• Rápido x Lento
• Relação com os diferentes tipos de hipóxia que as células se encontravam.
• Hipóxia crônica: Reoxigenação lenta.
• Ocorre em dias.
• Tumor reduz o tamanho, e células ficam mais próximas do vaso.
Mecanismos de Reoxigenação
• Reoxigenação rápida: Completada em horas.
• Recuperação das células que estavam agudamente em hipóxia.
• Células próximas aos vasos fechados.
Importância da Reoxigenação em RXT
• Regimes multifracionados: Importantes para lidar com tumores com grandes quantidades de células hipóxicas.
• Melhor definição do padrão do fracionamento para cada tumor, conhecimento do tempo de reoxigenaçãoindividual.
• Hipóxia confere proteção significativa à radiação, e a alguns agentes quimioterápicos.
Redistribuição no ciclo celular
Reoxigenação das células hipóxicas
Reparo ao dano subletal
Repopulação
Eficácia do fracionamento e os 4 R´s
R
Classificação dos danos
• Dano letal → Irreversível e irreparável→ Morte celular
• Dano sub-letal→ Pode ser reparado em horas se nãofor adicionado um novo dano sub-letal.
• Dano potencialmente letal→ Pode ser modificado pelas condições do meio após a irradiação.
Dano sub-letal
• Pode ser reparado em horas se nãofor adicionado um novo dano sub-letal.
• É observado pelo aumento da sobrevida se uma determinada dose for dividida em 2 frações separadas por um intervalo de tempo
• É de fundamental importância para o reparo de tecidos sadios
Mecanismo de reparo do dano sub-letal
• A morte celular decorre de aberrações resultantes da interação entre duas quebras separadas no DNA
• No intervalo entre as frações a célula pode reparar um dos danos do cromossomo, evitando a interação.
Redistribuição no ciclo celular
Reoxigenação das células hipóxicas
Reparo ao dano subletal
Repopulação
R
Eficácia do fracionamento e os 4 R´s
Efeitos Determinístico e Estocástico
• Efeito determinístico:efeito onde há limiar de dose e a severidade do efeito é dose-dependente (ex: catarata)
• Efeito estocástico: não há limiar de dose. A cél. permanece viável com mutação (carcinogênese ou efeitos hereditários). A probabilidade de câncer aumenta com a dose, mas não a
severidade do câncer.IMPORTANTE
• Limiar de Dose: dose de Rx onde há probabilidade de dano (threshold) celular em n° suficiente p/ gerar perda da função de certo tecido;
• Acima do limiar de dose a severidade do dano aumenta com a dose.
• Conceito de TD (Dose de Tolerância)
Efeito Determinístico
Estenose/perfuração
55.665557.23586060Esôfago
Necrose/ infarto
49.735053.395359.8660Tronco Cerebral
Necrose/ infarto44.824550.275059.9060Cérebro
Nefrite Clínica21.062331.383049.6450Rim
Calc.ClínicoCalc.ClínicoCalc.Clínico
Objetivo3/32/31/3Orgão
TD5/5 (Gy)Volume
Mielite/Necrose20cm47.78
20cm47
10cm48.96
10cm50
5cm50.14*
5cm50*
Medula Espinhal
Obstrução/Perfuração
41.004043.71--48.5050Delgado
Necrose/Ulceração
100cm2
53.81
100cm2
5530cm2
61.79
30cm2
6010cm2
69.0710cm2
70Pele
Pneumonite14.1917.526.363047.8845Pulmão
Pericardite38.864046.234559.2660Coração
Calc.ClínicoCalc.ClínicoCalc.Clínico
Objetivo3/32/31/3Orgão
TD5/5 (Gy)Volume
Carcinogênese: experiência humana
• Indução do câncer é o mais importante efeito de baixas doses de Rx
• Há muito tempo sabe-se de uma ligação entre exposição aoRx e Ca
• Marie Curie e sua filha faleceram por leucemia relacionada à Rx
• Informações sobre Ca induzido por Rx vêm de populaçõesexpostasà Rx com finalidade médicas
Efeito Estocástico
Carcinogênese: experiência humana
• Sumário de exposições humanas:• 1. Ca de pele em quem trabalhava com Rx antes das normas de segurança
• 2. Ca de pulmão em mineiros que extraíam rádio e urânio
• 3. Tumores ósseos em pintores de relógio com tinta radioativa
• 4. Tumores hepáticos em pacientes que receberam o contraste Thorotrast
• 5. Sobreviventes de Hiroshima e Nagasaki. 120.000 foram acompanhadas e ocorreram 6.000 mortes por Ca até 1990, 400 consideradas por Rx
• 6. Leve↑ do risco de leucemia em pacientes submetidos à Rxt para ttode espondilite anquilosante na Inglaterra de 1935 a 1944
• 7. ↑ de leucemia em radiologistas antes das normas de segurança
• 8. Ca de tireóide e de mama em crianças submetidas à Rxt p/ timo aumentado
• 9. Ca de tireóide em crianças submetidas ao Rx p/ tto de tinea capitis
• 10. Ca de mama em pacientes c/ TB submetidos à fluoroscopia
Ca na infância após exposição in utero
• Irradiação in uteropor Rx diagnóstico parece aumentar a incidência de leucemia e cânceres na infância principalmente no 3º trimestre de gestação;
• Um exame de Rx (10mGy), aumenta o risco de Ca em 40%;
• O risco absoluto é de cerca de 6% por gray, que não é muito diferente do risco nos sobreviventes da bomba atômica.
Efeitos da radiação no embrião e no feto
• Efeitos letais: antes ou imediatamente após a implantação do embrião na parede uterina ou após doses altas de radiação durante todo o desenvolvimento uterino
• Malformações: período de organogênese, onde as principais estruturas estão sendo formadas
• Distúrbios de crescimento: principalmente no final da gravidez
Preimplantação
• Estágio mais sensível para os efeitos letais
• Alta incidência de morte pré-natal
• Não é observado retardo no crescimento
• Em ratos, 0.05-0.15 Gy pode matar ovos fertilizados
• Efeito “tudo ou nada” da radiação
Organogênese
• Anormalidades congênitas da estrutura do feto• 2Gy durante o período de sensibilidade máxima
resulta em 100% de malformação• A maioria das células estão na fase de blástula• Nos humanos, esta é a fase onde a talidomida
produz efeitos desastrosos e na qual o vírus da rubéola têm sua maior ação
• Embriões que recebem irradiação na fase inicial da organogênese possuem a maior taxa de retardo no crescimento
Período Fetal
• Corresponde a partir do 14° dia no rato e ana 6° semana no humano
• Efeitos: hematopoese, fígado, rim e gônadas
• É necessária uma dose alta para produzir um efeito letal nesta fase
Experiências em Humanos
• Informações sobre radiação em humanos provém de 2 fontes: medicamentos e sobreviventes da bomba-atômica no Japão
• A malformação mais comum é a microcefalia (associada ou não com retardo mental), retardo no crescimento e outros defeitos no SNC
Sobreviventes de Hiroshima e Nagasaki
• Poucas pessoas eram menores que 4 semanas de gestação
• Crianças que estavam a 1500m da explosão são menores, mais magras e seu diâmetro cefálico é bem menor daquelas que estavam a 3000m
• Portanto, o principal efeito foi microcefalia e retardo mental
Sobreviventes de Hiroshima e Nagasaki
• Estudo: 1600 crianças expostas em útero
• 30 apresentaram retardo mental
• 5 apresentavam outra causa para o retardo
• O período mais sensível é entre 8 e 15 semanas. Entre 16 e 25 o risco cai 4 vezes
• Antes de 8 semanas pode haver microcefalia sem retardo mental
Exposição a Raio X• Murphy & Goldstein em 1929• Microcefalia, retardo mental, espinha bífida, pé torto
congênito, defeitos de ossificação do crânio, hidrocefalia, alopécia e outros
• Considerações:
1. 2.5Gy em embriões menores que 2-3 semanas não produzem malformações2. Entre 4-11 semanas, malformações3. Entre 11-16 semanas: malformações oculares, esqueleto e órgãos genitais4. Entre 16-20 semanas: queda nas taxas de microcefalia e
retardo5. Após 30 semanas: não causa graves alterações
A paciente grávida
• 0.1 Gy (entre 10dias e 26 semanas) é a dose limite pra desenvolver uma malformação congênita
• Abortar?
Resumo
• O efeito biológico da radiação de cobalto e aceleradores lineares é causado por elétrons acelerados, que geram radicais livres e lesam o DNA
• O dano biológico mais expressivo é a dupla quebra da molécula de DNA
Resumo
• Os quatro R´s da radioterapia são:
• Redistribuição no ciclo celular (Mitose é a fase mais sensível)
• Repopulação dos tecidos sadios
• Reparo ao dano sub-letal
• Reoxigenação das células hipóxicas (o oxigênio ¨fixa¨ o efeito dos radicais livres)
Resumo
• Efeito determinístico: há limiar de dose e a severidade do efeito é dose-dependente (ex: catarata)
• Efeito estocástico: não há limiar de dose (carcinogênese ou efeitos hereditários). A probabilidade de câncer aumenta com a dose, mas não a severidade do câncer.
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