PANORAMA NUCLEAR

LOS EFECTOS DE LAS RADIACIONES IONIZANTESY LAS POSIBILIDADES DE SU DETECCION MEDIANTE

INDICADORES BIOLOGICOS

Omar Garda Lima

Centro de Proteccion e Higiene de las Radiaciones, Ciudad de La Habana, Cuba

Resumen

El trabajo presenta una si'ntesis de lo mas significativo del conocimiento actual sobre los efectosagudos de las radiaciones en las celulas, los tejidos y en todo el organismo, asf mismo se ofreceuna panoramica del estado del arte en la dosimetri'a biologica y en el desarrollo de indicadoresbiologicos que puedan ser utiles para evaluar los efectos producidos por las radiacionesionizantes.

EFFECTS OF IONIZING RADIATIONS AND POSSIBILITIES OF.THEIR DETECTION BY MEANS OF BIOLOGICAL INDICATORS

Abstract

In this work a short synthesis of the most significant in the current knowledge on acute effects ofradiation on cells, tissues, and on the whole organism, is presented. A panoramic view of the stateof art in biological dosimetry and in the development of biological indicators that may be useful toevaluate the effects caused by ionizing radiation is also expounded.

Palabras clave: biological indicators; ionizing radiations; radiation doses; bioiogical radiationeffects; dosimetry; radiation protection

INTRODUCCION

El estudio del efecto biologico de las radiacionesionizantes comenzo practicamente al uni'sono con eldescubrimiento en 1895 de los rayos X. Losprimeros hallazgos y estudios fueron de caractercualitativo, pues se realizaron cuando aun no seposeian medios para cuantificar las dosis deradiacion sunfiinistradas. A comienzos del siglopasado se detectaron efectos dafiinos de lasradiaciones en el hombre y en animaies deexperimentacion, pero no existi'an normas deproteccion radiologica y se posei'a poca informacionsobre ios efectos de las radiaciones. Los estudioscuantitativos que se comenzaron a efectuar en laradiobiologfa experimental en la segunda decadadel siglo XX, junto con ios estudios epidemiologicosen los sobrevivientes de los bombardeos atomicosde Hiroshima y Nagasaki y en pacientes expuestosa tratamientos radioterapeuticos permiten en laactuaiidad poseer una informacion voiuminosasobre el efecto biologico de las radiaciones quefundamentan el estabiecimiento de normas quegarantizan la seguridad dei trabajadorocupacionalmente expuesto (TOE) a iasradiaciones, asi como de los pacientes que recibentratamiento medico con isotopos radiactivos.

Interaccion de las radiaciones con lasbiomolecuias

Los efectos biologicos de las radiaciones seproducen como consecuencia de la ionizacion delos atomos que conforman las biomolecuias queproducen cambios qui'micos que alteran oerradican sus funciones. Como se muestra en lafigura 1, ia energfa transmitida por la radiacionpuede actuar de manera directa sobre la moleculabiologica y causar la ionizacion o de maneraindirecta, a traves de ios radicales libres quesurgen por la ionizacion de las moiecuias delagua que la rodean. Los procesos de absorcionde energfa, ionizacion y excitacion, asf como lasaiteraciones bioqufmicas ocurren en fraccionesde segundos. Los cambios que se producen semanifiestan a escala celular, tisular y asfsucesivamente hasta el nivel de organismo, demanera inmediata o a iargo plazo.

Como consecuencia de la ionizacion las protefnaspierden ia funcionaiidad de ios grupos amino ycambian incrementando su reactividad qufmica,ias enzimas se inactivan, los Ifpidos sufrenperoxidacion, los carbohidratos se desagregan ylos acidos nucieicos sufren rupturas de sus

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A C C I O N INDIRECTA ACCI6N DIRECTA

IONIZACION YEXCITACION

DANO MOLECULAR

., — COMPLETA

' REPARACI6N)

• INCOMPLETA

TOLERADA

ACCION DEMEDIADORESBIOLOGIC

ACCIO

MUERTE

MINUTOS A ANOS

Rigura 1. Mecanismos de respuesta fisica, bioquimica y biologica.

cadenas y modificaciones en su estructura. Delconjunto de estas alteraciones, actualmente seconsideran que las mas influyentes sobre lasupervivencia y el funcionamiento celular son lasmodificaciones que tienen lugar en la moiecula deADN, por lo que este se considera el biancoprincipal de las radiaciones en la celula. Laslesiones que la radiacion puede inducir en el ADNson muy diversas como las roturas de una o doscadenas (roturas sencillas o dobles),recombinaciones, sustituciones de bases, y otras.

EVENTOS SIGNIFICATIVOS EN EL AMBITOCELULAR YSU REPERCUSION EN TODOEL ORGANISMO

Una representacion general del proceso deinteraccion de las radiaciones con las celulas, laactuacion de los mecanismos de reparacionoelular, y los efectos que se pueden manifestaren el organismo se aprecian en la figura 2,[1]. Aescala celular existen meoanismos para repararlas alteraciones que ocurren en el ADN. Despuesque se ha producido la irradiacion, losmecanismos enzimaticos y de reparacion puedenoonducir a la reparacion correcta del ADN y deesta forma, las celulas sobreviven sinmodificaciones en sus funciones y estructuragenetica.

Cuando los dafios se reparan de manera erronea,las celulas pueden sobrevivir pero conmodificaciones en su oomposicion genetica y porlo tanto en sus funciones. Lo que ha ocurrido esuna mutacion que puede estar localizada en unacelula somatica y dar lugar a un cancer, o en unacelula germinal y dar lugar a un efecto hereditario.Las mutaciones son modificaciones en los genesque provocan cambios en las funciones

enzimaticas originales con la consiguientealteracion metabolica que se manifiesta en lasfntesis de proteinas. Los efectos que asf seproducen se reconocen como estocasticos. Paraellos no existe dosis umbral. La posibilidad de susurgimiento aumenta con la dosis, su severidadno vari'a con el aumento de la dosis y ocurren enun plazo relativamente largo despues de ocurridala exposicion. Son ejemplos de estos efectos laleucemia y el cancer de tiroides, colon, y otros. Larelacion entre la exposicion a radiaciones y laaparicion de estos efectos ha sido establecida enestudios epidemiologicos. No hay indicadoresmolecuiares o de otro tipo que permitan identificar,un cancer producido por radiaciones

Cuando los dafios no pueden ser reparados seproduce la muerte celular. Para las celulasdiferenciadas, que no proliferan, la muerte celularse define como la perdida de la funcion para laque se han especializado. Para celulasproliferantes, como las celulas primordialeshematopoyeticas o las celulas que crecen enmedios de cultivo, la muerte celular es la perdidade la capacidad de proliferacion sostenida o laperdida de la integridad reproductora. Laradiosensibilidad celular ha sido mejor estudiadaen celulas proliferantes. Actualmente se conoceque la radiosensibilidad celular depende defactores fi'sicos, qui'micos y biologicos.

Entre los factores fi'sicos se pueden mencionar latransferencia lineal de energi'a de la radiacionincidente, la cual a medida que aumenta conduce alaumento de la gravedad de las roturas en el ADN, y latasa de dosis, la cual a medida que aumenta,disminuye la probabilidad de activacion en el momentoadecuado de los mecanismos de reparacion, y haceque se acumule mayor dafio celular.

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Entre los factores qufmicos esta la presencia deproductos que sensibilizan(radiosensibilizadores) o protegen a las celulas(radioprotectores) de la accion de la radiacion. Suaccion esta basada fundamentalmente en laproduccion y eliminacion, respectivamente, deradicaies libres. Entre los factores biologicos masimportantes estan la capacidad proliferativa, elgrado de especializacion celular y la fase del cidocelular en la cual ocurra la exposicion.Generalmente la radiosensibilidad celular esdirectamente proporcional a la velocidad dedivision celular e inversamente proporcional algrado de especializacion celular. Esto explica porque los tejidos que mantienen una renovacioncelular permanente son mas radiosensibles queaquellos que no la tienen. En cuanto al cidocelular, las celulas son mas sensibles durante lamitosis (division celular) que en las etapas que lapreceden durante las cuales estan activados losmecanismos de reparacion.

Los tejidos pueden mantener su funcionamientocon la perdida de un determinado numero decelulas. En los tejidos proliferantes, la divisioncelular, junto a los mecanismos de reparacioncelular ateniJan estas perdidas, sin embargocuando los dafios producidos por las radiacionesson de tal magnitud que el ndmero de celulas quemueren es muy elevado y no hay compensacionpor la renovacion celular, el tejido no puedemantener su funcionamiento. Este tipo de efectose denomina efecto deterministico y si ocurre enun tejido vital puede producir la muerte. Estosefectos se producen a partir de una dosis

denominada umbral (aquella que produce elefecto en el 1-5% de los individuos expuestos).

La severidad y la frecuencia de estos efectosaumenta con la dosis y la tasa de dosis. Elnumero de celulas afectadas influyeproporcionalmente en la severidad del efecto. Sepueden producir con distintos periodos delatencia, por lo que se distinguen efectostempranos, que se detectan en pocos dfas osemanas y efectos tardfos no malignos queaparecen meses o afios despues de lairradiacion. Ejemplos de efectos determinfsticosson el eritema, la depresion de la medula osea,las cataratas, la esterilidad temporal y lairreversible.

El efecto determinfstico mas severo es la muerte. Larespuesta de un organismo adulto a una exposicionaguda, que provenga de una fuente externa y queafecte a todo el organismo, produce signos,sfntomas y un cuadro cli'nico variable que se conocecomo Sfndrome Agudo de Radiacion (SAR).

Aunque existe gran incertidumbre sobre los umbralesde dosis letales en el hombre debido a que en ellosinfluyen el estado general de salud, la asistenciamedica recibida y otros factores individuales, sepuede afirmar que dosis entre 3-5 Gy pueden causarla muerte del 50% de los individuos expuestos en unplazo de uno o dos meses. En el rango de dosis de3 a 10 Gy la causa principal de muerte es laafectacion de la medula osea. Esto se conocecomo sfndrome hematopoyetico. Dosis mayoresque 10 Gy causan la muerte en una o dos

No interacci6n, . ., . Absorcion de la dosis y Modificacion de la celulalonizacionj*v cambios quimicos y ^

Reparacion^ ^ Erronea

C l̂ula normal ^ " u e r t e" . ceiular

germinal

Dafios entejidos novitales

Clones caW^fgenos

W Dafios en tejidos W' vitales (AfiosXdecadas)

Sindrome cerebrai

Radiopatoiogfa

Sindrome meduiar

Sfndromegastrointestinal

Desdrdenes hereditarios(cromosomicos)

Dafio agudo o la muerte Efectos tardfos (estocasticos)

Figura 2. Manifestaciones en el organismo de la accion de las radiaciones.

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semanas como consecuencia de la afectacion deltracto gastrointestinal (si'ndrome gastrointestinal).Dosis mayores de 50 Gy causan la muerte enhoras o di'as como consecuencia de la afectaciondel sistema nervioso central (sindrome del sistemanervioso central). El SAR tiene cuatro fases,prodromal, latencia, cri'tica o de estado yrecuperacion o muerte. La etapa prodromal es unconjunto de signos y si'ntomas que aparecen enlas primeras horas pest exposicion.

INDICADORES BIOLOGICOS DE DANO PORRADIACION

Cuando las dosis son desconocidas lossi'ntomas de la etapa prodromal pueden ayudar aestimar las dosis recibidas por las personas,sirven como indicadores cli'nicos. Losindicadores cli'nicos mas comunes son losgastrointestinales y los neuromusculares. Dentrode los indicadores gastrointestinales seencuentran, las nauseas, los vomitos, lasdiarreas y la anorexia; y dentro de losneuromusculares, el cansancio, la apati'a, laindiferencia, la sudacion, la fiebre y el dolor decabeza. El dafio provocado por unasobrexposicion se puede pronosticar por eltiempo transcurrido entre la irradiacion y laaparicion de los si'ntomas. En general, mientrasmas estables sean y menor el tiempo deaparicion, mayor es la dosis de radiacion y elpeligro para la vida del individuo expuesto.

Hay un conjunto de indicadores biologicos quepueden ofrecer informacion sobre la dosis ensituadones accidentales o sobre el efecto que ellacausa en situaciones experimentales. Losrequerimientos fundamentals para losindicadores biologicos son que tengan unarelacion dosis efecto conocida, que lasobservaciones sean reproducibles, que el efectoperdure, que sea especffico y altamente sensible alas radiaciones, que la muestra sea facil derecoger, que los resultados se obtengan rapido ysea posible detectar irradiaciones parciales.Lamentablemente hasta ahora ningun indicadorbiologico tiene todas estas propiedades, por loque si resulta necesario se acude a un conjuntode ellos. Los indicadores mas usadosactualmente son los hematologicos, loscitogeneticos, y los bioqufmicos.

Los indicadores hematologicos utilizan comoreferencia las variaciones en el numero de celulasde la sangre y pueden ofrecer una informacionmuy rapida sobre la dosis y la gravedad de laafectacion. Los linfocitos se han usado con finesdosimetricos, ya que la dependencia entre sunumero y la dosis es bien conocida. Con esteindicador se pueden estimar dosis a partir de IGyde radiacion gamma, y se usan para ello curvasde referencia como las publicadas en [2,3].

Los indicadores citogeneticos constituyen en laactualidad los dosimetros biologicos mas eficaces.

Ellos basan su funcionamiento en el bruscoincremento de la frecuencia de aberracionescromosomicas, particularmente de los dicentricosen los linfocitos de la sangre producto de laexposicion a radiaciones. Con este indicador sepueden estimar dosis del orden de los 100 mGy deradiacion gamma, asf como establecer si la dosisde radiacion recibida fue homogenea o no, yevaluar el volumen del cuerpo irradiado. En suversion clasica, los resultados con este indicadorse pueden obtener despues de cultivar en unlaboratorio especializado los linfocitos de la sangreperiferica durante 48 horas, y analizar enmicroscopio optico 500 metafases. Cuando lasdosis son muy altas se pueden obtener resultadospreliminares con 50-100 metafases. Ladependencia entre este indicador y la dosis eslineal cuadratica, y cada laboratorio que realiza esteanalisis debe poseer su propia curva decalibracion. Dado que los dicentricos tienden adesaparecer con el tiempo, cuando ha transcurridomeses o un afio entre la exposicion y el analisisresulta mas conveniente usar como indicador lafrecuencia de reordenamientos entre loscromosomas (translocaciones).

Recientemente han aparecido metodos quepermiten evaluar de forma precisa la ocurrenciade translocaciones en los cromosomas. Ellos sebasan en la posibilldad de usar sondas de ADNfluorescentes especi'ficas a determinadoscromosomas, lo que permite que lastrasniocaciones se identifiquen por elreordenamiento de los colores. Una ampliainformacion sobre el uso de indicadorescitogeneticos con fines dosimetricos se puedeobtener en una reciente publicacion del OIEA [4].

Los indicadores bioqufmicos basan sufuncionamiento en las fluctuaciones dedeterminados metabolitos en la orina y la sangrede los individuos irradiados. No son muy utilescomo dosimetros pero ofrecen informacioncualitativa sobre el estado del irradiado. Entreestos indicadores se encuentran la creatina/creatinina, la taurina y la alfa-amilasa.

Una buena informacion sobre la utilidad de losindicadores biologicos se puede obtener revisandosu aplicacion durante el accidente de Chernobil [2].

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] IAEA, The Intenational Chernobyl Projetc, Assessmentof Radiological Consequences and Evaluation ofProtective Measures, IAEA, (1991)39.[2] United Nation. Sources, Effects and Risk of IonizingRadiation, United Nation Scientific Committee on theEffects of Atomic Radiation, Report to the GeneralAssembly, with annexes. United Nations PublicationSales, No. E.88.IX.7 (1988)545.[3] IAEA, Medical Handling of Accidentally ExposedIndividuals, Safety Series No. 88 (1988).[4] IAEA, Cytogenetic Analysis for Radiation DoseAssessment, Technical Reports Series No. 405 (2001).

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