IAEA International Atomic Energy Agency
OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia
Parte 3
Efectos Biológicos
PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN
RADIOTERAPIA
IAEA Title of Lecture 2
Introducción
!Lo que finalmente importa es el efecto
biológico!
• La dosis al tumor determina la probabilidad de cura
(o la probabilidad de paliación)
• La dosis a estructuras normales determina la
probabilidad de efectos secundarios y
complicaciones
• La dosis al paciente, al personal, y a los visitantes
determina el riesgo de detrimento por radiación a
estos grupos
IAEA Title of Lecture 3
Introducción
!Lo que finalmente importa es el efecto biológico!
• La dosis al tumor determina la probabilidad de cura (o la
probabilidad de paliación)
• La dosis a estructuras normales determina la probabilidad de
efectos secundarios y complicaciones
• La dosis al paciente, al personal, y a los visitantes determina el
riesgo de detrimento por radiación a estos grupos.
Altas dosis:
Efectos Deterministas
Bajas dosis:
Efectos estocásticos
IAEA Title of Lecture 4
Efectos deterministas
• Debido a muerte celular
• Tienen un umbral de dosis – por lo general varios Gy
• Específicos para los diversos tejidos
• La severidad del daño depende de la dosis dosis
Severidad del efecto
umbral
IAEA Title of Lecture 5
Efectos estocásticos
• Debido a cambios celulares (ADN) y su proliferación hacia una enfermedad maligna
• Severidad (ejemplo; cáncer) independiente de la dosis
• No hay umbral de dosis – también aplicable a dosis muy pequeñas
• Probabilidad de efectos aumenta con la dosis
dosis
Probabilidad de efecto
IAEA Title of Lecture 6
Dos objetivos
• La radioterapia deliberadamente aplica radiaciones a los pacientes para producir efectos deterministas (matar células tumorosas) – en este contexto se aceptan ciertos efectos deterministas y estocásticos (=efectos secundarios)
• La protección radiológica tiene el objetivo de minimizar el riesgo de efectos radiológicos ‘inaceptables’ para el paciente (= complicaciones) debido a errores o una práctica de irradiación no optimizada; así como minimizar el riesgo de efectos dañinos en otros.
IAEA Title of Lecture 7
… cierto margen de interpretación en la práctica
• Algunas complicaciones son eventos que no fueron ‘predichos’ para un determinado paciente debido a variaciones biológicas entre los pacientes – aparecen con baja frecuencia (vea ICRP Report 86)
• La protección radiológica ha de referirse a la irradiación no intencional (ej. dosis errónea, paciente erróneo) y a la optimización de la administración para minimizar el riesgo de complicaciones
IAEA Title of Lecture 8
Contenido de la Parte 3
Conferencia 1: Radiobiología de la
protección radiológica
• Efectos deterministas, estocásticos y genéticos
• Magnitudes de las radiaciones relevantes
• Riesgos
Conferencia 2: Radiobiología de la
radioterapia
• Efectos deterministas; muerte celular
• Modelos radiobiológicos; efectos en el tiempo
IAEA Title of Lecture 9
Objetivos de la Parte 3
• Comprender los diversos efectos de las
radiaciones sobre los tejidos humanos
• Apreciar la diferencia entre altas y bajas
dosis; efectos deterministas y estocásticos
• Obtener nociones de los ordenes de
magnitud de las dosis y sus efectos
• Apreciar los riesgos asociados al empleo de
las radiaciones ionizantes como punto de
partida para un sistema de protección
radiológica
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OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia
Parte 3
Efectos Biológicos
Conferencia 1: Protección radiológica
IAEA Title of Lecture 11
Contenido
1. Efectos biológicos de las radiaciones
2. De Gray a Sievert
3. Evidencia epidemiológica
4. Riesgos y restricciones de dosis
IAEA Title of Lecture 12
1. Efectos de las Radiaciones
La radiación ionizante
interactúa a nivel
celular:
• Ionización
• Cambios químicos
• Efectos biológicos
célula
núcleo
cromosomas
Radiación
incidente
IAEA Title of Lecture 14
El blanco en la célula: El ADN
IAEA Title of Lecture 15
Procesos de los efectos de las radiaciones
Duración Etapa Proceso
Física 10-15 s Absorción de energía,
ionización
Físico-
química 10-6 s
Interacción de iones con
moléculas, formación de
radicales libres
Química segundos
Interacción de radicales
libres con moléculas, células
y ADN
Biológica decenas de minutos
a decenas de años
Muerte celular, cambio de la
información genética en las
células, mutaciones
IAEA Title of Lecture 16
Observaciones tempranas de los efectos de las radiaciones ionizantes
• 1895 Rayos X descubiertos por Roentgen
• 1896 Primeros reportes de quemaduras en piel
• 1896 Primer empleo de rayos X para tratamiento del cáncer
• 1896 Becquerel: Descubrimiento de la radiactividad
• 1897 Primeros casos reportados de daño en la piel
• 1902 Primer reporte de cáncer inducido por rayos X
• 1911 Primer reporte de leucemia en humanos y cáncer de pulmón por exposición ocupacional
• 1911 Reportados en Alemania 94 casos de tumores (50 eran radiólogos)
IAEA Title of Lecture 17
Monumento a los pioneros de las radiaciones que murieron a causa de su exposición
IAEA Title of Lecture 18
Efectos de las radiaciones
Tres tipos básicos
• Estocásticos - probabilidad de efecto relacionado
con la dosis, disminuye al disminuir ésta
• Deterministas - umbral para efecto – por debajo,
no hay efecto; por encima, hay certeza, y la
severidad aumentan con la dosis
• Hereditarios - (genéticos) – incidencia
estocástica asumida, sin embargo, se manifiesta
en las generaciones futuras
IAEA Title of Lecture 19
Efectos deterministas
• Debido a muerte celular
• Tienen un umbral de dosis
• Específicos para determinados tejidos
• Severidad del daño depende de la dosis
Heridas por radiación desde una fuente
industrial
IAEA Title of Lecture 20
Ejemplos de efectos deterministas
• Descamado de la piel
• Cataratas del cristalino del ojo
• Esterilidad
• Fallo renal
• Síndrome agudo de radiación
(cuerpo entero)
IAEA Title of Lecture 21
Reacciones de la piel
Daño a la
piel por
exposición
prolongada
a rayos X
Afección Umbral de dosis
a la piel (Sv)
Semanas para
manifestarse
Eritema transiente temprano
2 <<1
Depilación temporal 3 3
Eritema principal 6 1.5
Depilación permanente 7 3
Descamado seco (piel) 10 4
Fibrosis invasiva 10
Atrofia dérmica 11 >14
Telangiectasis 12 >52
Descamado húmedo 15 4
Eritema tardío 15 6-10
Necrosis dérmica 18 >10
Ulceración secundaria 20 >6
IAEA Title of Lecture 22
Dosis umbrales para efectos deterministas
• Cataratas del cristalino del ojo 2-10 Gy
• Esterilidad permanente
– varones 3.5-6 Gy
– hembras 2.5-6 Gy
• Esterilidad temporal
– varones 0.15 Gy
– hembras 0.6 Gy dosis
Severidad del efecto
umbral
IAEA Title of Lecture 23
Notas sobre los valores umbrales
• Dependen del modo de administrar la dosis:
– el más efectivo; una dosis única elevada
– el fraccionamiento incrementa el umbral de dosis, en
la mayoría de los casos, de forma significativa
– disminuir la tasa de dosis incrementa el umbral en la
mayoría de los casos
• El umbral puede ser diferente para los diferentes
individuos
IAEA Title of Lecture 24
Efectos estocásticos
• Debido a cambios celulares (ADN) y proliferación hacia una enfermedad maligna
• Severidad (ej. cáncer) independiente de la dosis
• No hay umbral de dosis (se presume que ocurren a cualquier dosis no importa cuan baja sea)
• La probabilidad de efecto se incrementa con la dosis
IAEA Title of Lecture 25
Efectos biológicos
A bajas dosis el daño a una célula es un
efecto fortuito – haya o no habido
transferencia de energía.
IAEA Title of Lecture 26
… ordenes de magnitud
• 1cm3 de tejido = 109 células
• 1 mGy --> 1 en 1000 o impacto en106 células
• 999 de 1000 lesiones son reparadas – quedando 103 células dañadas
• 999 de 1000 células dañadas mueren (nada serio puesto que millones de células mueren diariamente en toda persona)
• 1 célula puede vivir con daño (puede mutar)
IAEA Title of Lecture 27
Inducción del cáncer
• El efecto estocástico más importante desde el punto de vista de la seguridad radiológica
• Es un proceso de múltiples etapas – generalmente tres: cada una requiere un evento…
• Es un proceso complejo que involucra células, la comunicación entre ellas y el sistema inmunológico...
IAEA Title of Lecture 28
2. De Gy a Sv: Magnitudes y unidades de las radiaciones
Exposición
Dosis Absorbida
Dosis Equivalente
Dosis Efectiva
IAEA Title of Lecture 29
Magnitudes de las radiaciones
Dosis absorbida D
• La cantidad de energía transferida por
unidad de masa en un material blanco
• Aplicable a cualquier radiación
• Se mide en gray (Gy) = 1 joule/kg
• La antigua unidad rad = 0.01 Gy
IAEA Title of Lecture 30
Magnitudes de las radiaciones
Dosis Equivalente H
• Tiene en consideración el efecto de las radiaciones sobre el tejido empleando un coeficiente de ponderación de las radiaciones WR
• Se mide en sievert (Sv)
• La antigua unidad rem = 0.01 Sv
• H = D wR
IAEA Title of Lecture 31
Coeficientes de ponderación por tipo de radiación (ICRP 60)
Tipo de radiacion WR
Beta 1
Alpha 20
Rayos X 1
Rayos gamma 1
Neutrones <10 keV 5
Neutrones (10 keV – 100 keV) 10
Neutrones (100 keV – 2 MeV) 20
Neutrones (2 meV – 20 MeV) 10
Neutrones >2 MeV 5
IAEA Title of Lecture 32
Nota:
La ‘efectividad radiobiológica’ para diferentes
tipos de radiaciones depende del último
aspecto visto. Los valores del ICRP dados en
la diapositiva anterior aplican solo para
efectos estocásticos.
IAEA Title of Lecture 33
Magnitudes de las radiaciones
Dosis Efectiva E
• Toma en cuenta las diversas sensibilidades de los diferentes tejidos ante las radiaciones empleando Factores de Ponderación para Tejido wT
• Se mide en sievert (Sv)
• Se emplea cuando se irradian varios órganos a dosis diferentes, o a veces cuando un órgano se irradia por separado
• E = Sum all organs (wT H) = Sumall organs (wT wR D)
IAEA Title of Lecture 34
Coeficientes de ponderación por tejido (ICRP 60)
Tejido WT
Gónadas 0.2
Médula ósea (roja) 0.12
Colon 0.12
Pulmón 0.12
Estómago 0.12
Vejiga 0.05
Mama 0.05
Hígado 0.05
Esófago 0.05
Tiroides 0.05
Piel 0.01
Superficies óseas 0.01
Resto 0.05
TOTAL 1.00
IAEA Title of Lecture 35
Tejido WT
Gónadas 0.2
Médula ósea (roja) 0.12
Colon 0.12
Pulmón 0.12
Estómago 0.12
Vejiga 0.05
Mama 0.05
Hígado 0.05
Esófago 0.05
Tiroides 0.05
Piel 0.01
Superficies óseas 0.01
Resto 0.05
TOTAL 1.00
Coeficientes de ponderación por tejido (ICRP 60)
Los riesgos genéticos son
considerados, aprox. 4 veces,
de menor importancia
que la inducción de cáncer
IAEA Title of Lecture 36
Magnitudes de las radiaciones
• La dosis efectiva se emplea para describir la relevancia biológica de una exposición a las radiaciones en que diferentes tejidos/órganos reciben diversas dosis absorbidas, potencialmente a partir de diversas fuentes de radiación
• Los conceptos dados de dosis efectiva y de coeficientes de ponderación por tejido son solo de aplicación a los efectos estocásticos.
• La dosis efectiva es una cuantificación de riesgo
IAEA Title of Lecture 37
Magnitudes de las radiaciones
Dosis colectiva
• Se emplea para medir el impacto total de una
práctica con radiaciones, o de una fuente, sobre
todas las personas expuestas
• Por ejemplo radiología diagnóstico
• Se mide en hombre-sievert (hombre-Sv)
IAEA Title of Lecture 38
Cuantificación de los efectos estocásticos
• Riesgo total de cáncer fatal para la población general en su vida = 5% / Sv
• Riesgo de cáncer fatal en la vida por cáncer de:
– Médula ósea 0.5 % / Sv
– Superficie ósea 0.05
– Mama 0.2 %
– Pulmón 0.85
– Tiroides 0.08
IAEA Title of Lecture 39
¿Cómo es que se conocen estas cosas?
• Epidemiología (observaciones en
humanos)
• Radiobiología experimental
(estudios en animales)
• Biología de las radiaciones a nivel
celular y molecular
IAEA Title of Lecture 40
3. Evidencia epidemiológica
1
10
100
1000
10000
0,1 1 10 100 1000 10000
Dosis (mGy)
Mu
ert
es
po
r c
án
ce
r/a
ño
/1M
pe
rso
na
s
natural cancer mortality
additional cancerdeaths due to radiation
IAEA Title of Lecture 41
3. Evidencia epidemiológica
1
10
100
1000
10000
0,1 1 10 100 1000 10000
Dosis (mGy)
Mu
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s
natural cancer mortality
additional cancerdeaths due to radiation
Fondo
Anual
Escáner CT Rayos-X
de Tórax Fracción
Típica de la
Radioterapia
IAEA Title of Lecture 42
Fuentes de radiación de fondo
IAEA Title of Lecture 43
Contribuyentes a la exposición a las radiaciones en GB
Total: 2-3 mSv/año
IAEA Title of Lecture 44
Epidemiología de los riesgos de cáncer
• ESTUDIO DE
DURACIÓN DE VIDA
(Hiroshima y Nagasaki):
Solo ~5% de 7,800
muertes de cáncer o
leucemia se debieron a
las radiaciones
• Otras evidencias (ejemplos)
– Exposiciones de tiroides
con I-131 en
Escandinavia
– Pintores de esferas con
Radio
– Chernobil
– Tripulaciones de aviones
– Muchos otros estudios
IAEA Title of Lecture 45
Ejemplo de exposición a las radiaciones de una tripulación aérea a la radiación cósmica
Exposición de tripulación de Nueva Zelanda
• Rutas Internacionales
– 1000 horas por año, con 90% del tiempo a una altitud de 12 km
– dosis anual de 6.5 mSv a partir de radiación cósmica
• Rutas Nacionales
– 1000 horas por año, con 70% del tiempo a una altitud de 11 km
– dosis anual de 3.5 mSv a partir de radiación cósmica
Adaptado de L Collins 2000
IAEA Title of Lecture 46
Evidencias epidemiológicas
1
10
100
1000
10000
0.1 1 10 100 1000 10000
Dose (mGy)
Can
cer
death
s /
year/
1M
peo
ple
natural cancermortality
additional cancerdeaths due to radiation
Datos de los Estudios
de Tiroides 131-I de
Hiroshima y Nagasaki
?
IAEA Title of Lecture 47
Problemas con los datos a bajas dosis
• Los datos de cultivos celulares y de animales
son de difícil extrapolación para humanos
• Experiencia en humanos
– De no ser fortuita sino controlada
Sería extremadamente antiético
– Muchas suposiciones en el Estudio de duración
de vida
Pobre información de dosis (a parte o a todo el cuerpo)
Condiciones existentes en paralelo desconocidas
Estadísticas deficientes (pequeñas cantidades)
IAEA Title of Lecture 48
¿Qué pasa en el extremo de las bajas dosis del gráfico, por debajo de 100 mSv?
IAEA Title of Lecture 49
Evidencias epidemiológicas
1
10
100
1000
10000
0.1 1 10 100 1000 10000
Dose (mGy)
Can
cer
death
s /
year/
1M
peo
ple
natural cancermortality
additional cancerdeaths due to radiation
La hipótesis lineal de
no umbral, reducida a
bajas dosis y bajas tasas
de dosis por un factor
de 2; se corresponde en
general con los datos
IAEA Title of Lecture 50
4. Estimados de riesgo
• Riesgo = probabilidad de efecto
• Se pueden examinar diferentes efectos – se
necesita observar cuidadosamente el efecto
a considerar: ej. ¡Mortalidad por cáncer de
tiroides NO es igual a incidencia de cáncer
de tiroides!!!
• Estimados de riesgo; generalmente
obtenidos para altas dosis y extrapolados
para bajas dosis
IAEA Title of Lecture 51
La influencia de la tasa de dosis en los efectos estocásticos
• Estudios en ratones, comparando irradiación aguda con exposición crónica, muestran un factor de reducción de tasa de dosis entre 2 y 5 para acortamiento de la vida, y entre 1 y 10 para inducción de tumores.
• En humanos, los datos de los sobrevivientes de las bombas atómicas sugieren un Factor de eficacia de Dosis y Tasa de Dosis (DDREF) de 2.0 para leucemia y 1.4 para los restantes tipos de cáncer.
• Se debe aplicar un DDREF ya sea si la dosis total es < 200 mGy o si la tasa de dosis es menor de 0.1 mGy/min.
IAEA Title of Lecture 52
Estimados de riesgo
• ICRP 60, resumen de riesgos de mortalidad por cáncer en
la vida
• Estudios de muchos pacientes de RT muestran un riesgo
de segunda aparición del cáncer de 5%
• Riesgo genético (ICRP 60): 0.006 por Sv
Alta dosis Alta tasa de dosis
Baja dosis (0.2 Gy) Baja tasa de dosis
(<0.1 Gy/h)
Población trabajadora 0.08 por Sv 0.04 por Sv
Población general (incluye adolesc. y niños)
0.10 por Sv 0.05 por Sv
IAEA Title of Lecture 53
Comparación de los riesgos del trabajador con radiaciones respecto a otros trabajadores
tasa media de muertes 1989
(10-6/a)
Comercio 40
Producción 60
Servicios 40
Gobierno 90
Transporte 240
Construcción 320 exposición máx. permisible
Minas/canteras 430 una vez en la vida
Agricultura 400
Industrias seguras
2 mSv/a
IAEA Title of Lecture 54
Fundamentos de los límites de exposición
Los límites han cambiado con el tiempo
• Información biológica
– Los límites son más restrictivos, los riesgos de
cáncer son mayores a lo considerado en los años
1950s
• Filosofía social
• Capacidad para controlar las exposiciones
IAEA Title of Lecture 55
Comentarios sobre el feto/embrión
• El feto/embrión es más sensible a la radiación
ionizante que el adulto humano
• Evidencias en aumento de abortos espontáneos
pocos días después de la concepción
• Incidencia en aumento
– Retraso mental
– Microcefalia (pequeñas dimensiones de la cabeza)
especialmente de 8-15 semanas después de la concepción
– Malformaciones: del esqueleto, retardo del crecimiento,
genitales
• Mayor riesgo de cáncer (esp. leucemia)
– Tanto en la infancia como posteriormente
IAEA Title of Lecture 56
• El feto/embrión es más sensible a la radiación
ionizante que el adulto humano
• Evidencias en aumento de abortos espontáneos
pocos días después de la concepción
• Incidencia en aumento
– Retraso mental
– Microcefalia (pequeñas dimensiones de la cabeza)
especialmente de 8-15 semanas después de la concepción
– Malformaciones: del esqueleto, retardo del crecimiento,
genitales
• Mayor riesgo de cáncer (esp. leucemia)
– Tanto en la infancia como posteriormente
Comentarios sobre el feto/embrión
Efecto determinista
Efecto estocástico
IAEA Title of Lecture 57
Tipos de efectos después de irradiación intrauterina
Tiempo después de
la concepción Efecto
Incidencia normal
en nac. vivos
Primeras 3 semanas No efectos determ. o
estoc. en los nac. vivos -
3ra a 8va semanas Probab. de malformación
de órganosa
0.06
(1 en 17)
8va a 25va semanas Probab. de retraso mental
severob
5 x 10-3
(1 en 200)
4ta sem. – resto de
per. gestación
Cáncer en la infancia o en
la adultezc
1 x 10-3
(1 en 1000)
a Efecto determinista. Umbral ~ 0.1 Gy
b Afect. 30 udes IQ: 8-15ta sem.; <afect. 30 udes IQ: 16 - 25ta sem.
c Riesgo intrauterino ~ riesgo < 10 años de edad
IAEA Title of Lecture 58
Incidencia de muertes y anomalías prenatales y neonatales
Hall, Radiobiología para el Radiólogo pág. 365
IAEA Title of Lecture 59
Riesgos genéticos
• Se sabe que las radiaciones ionizantes provocan mutaciones hereditarias en muchas plantas y animales
PERO
• Estudios intensivos a 70 000 descendientes de sobrevivientes de las bombas atómicas no han logrado identificar ningún incremento de anomalías congénitas, cáncer, aberraciones cromosómicas en linfocitos circulantes, ni mutaciones en proteínas de la sangre.
Neel y colab., Am. J. Hum. Genet. 1990, 46:1053-1072
IAEA Title of Lecture 60
Efectos estocásticos no cancerígenos de las radiaciones
• Los datos del LSS han sido analizados para determinar la mortalidad no cancerígena de los fallecidos entre 1950 y 1990.
• Se detectó un incremento estadístico significativo en función de la dosis de radiación para: – Accidentes cerebrovasculares
– Enfermedades cardiacas
– Enfermedades respiratorias
– Enfermedades digestivas
Shimizu T y colab., Radiation Research, 1999; 152:374-389
IAEA Title of Lecture 61
Riesgo de muerte promedio anual en GB debido a accidentes industriales y a cáncer debido al trabajo con radiaciones
Tomado de L Collins 2000
Minería de carbón 1 in 7,000
Extracción de petróleo y gas 1 in 8,000
Construcción 1 in 16,000
Trabajo con radiaciones (1.5 mSv/año) 1 in 17,000
Metalurgia 1 in 34,000
Todos los tipos de fabricación 1 in 90,000
Producción química 1 in 100,000
Todos los servicios 1 in 220,000
IAEA Title of Lecture 62
Resumen
• La inducción de cáncer constituye el
riesgo más significativo de la exposición
a radiaciones ionizantes a bajas dosis
• La inducción de cáncer es un efecto
estocástico
• A elevadas dosis de radiación también
influyen los efectos deterministas
IAEA Title of Lecture 63
Resumen: Magnitudes de las dosis
Dosis absorbida (Gy “gray”)
Energía transferida al tejido
Dosis equivalente (Sv “sievert”)
Dosis absorbida modificada por un factor de
ponderación de las radiaciones
Dosis Efectiva (Sv “sievert”)
Dosis de radiación de cuerpo completo – una
medida del riesgo
IAEA Title of Lecture 64
Resumen (3)
• Los riesgos se pueden calcular
• Sin embargo: – Sus valores numéricos son generalmente
pequeños y pueden no ser comprendidos
– Las medidas a aplicar para evitar o minimizar los riesgos dependen de interpretación y de los beneficios que se perciben – esto puede variar significativamente de persona a persona así como entre sociedades
• Las restricciones de dosis se pueden seleccionar de modo que se igualen los niveles de riesgo de otras profesiones
IAEA Title of Lecture 65
¿Dónde obtener más información?
• De las partes 2 y 4 del curso
• International Commission on Radiological
Protection (ICRP) Reports.
– En especial: “The 1990 recommendations if the
International Commission on Radiological
Protection, ICRP report 60. Oxford: Pergamon
Press; 1991.”
• International Commission on Radiation Units
and Measurements (ICRU) Reports
IAEA Title of Lecture 66
¿Preguntas?
IAEA Title of Lecture 67
Pregunta
¿Por qué es limitada nuestra
información sobre los efectos de las
radiaciones a bajas dosis de radiación
(ej. < 20mSv)?
IAEA Title of Lecture 68
La respuesta debe incluir pero no limitarse a:
• La dosimetría es difícil a niveles próximos al valor del fondo
• Evidencia epidemiológica limitada
• La investigación y experimentación en humanos son éticamente imposibles
• Los efectos (de haberlos) son pocos
• Probablemente existe un efecto de la dosis y de la tasa de dosis – a bajas dosis y tasas de dosis los efectos de las radiaciones tienden a ser menores que a altas dosis.