Efeitos Biológicos da Radiação Curso de Radioproteção · • dano biológico não pode ser modificado quimicamente. AÇÃO INDIRETA AÇÃO DIRETA AÇÃO INDIRETA • a partícula

Dr. Felipe Erlich

Búzios, Rio de Janeiro

28/10/06

Efeitos Biológicos da Radiação

Curso de Radioproteção


• 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


Parte 1

A absorção de Energia pelos tecidos

Histórico

1895: Roentgendescobriu um novo tipo de radiação

raios X

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

Absorção de energia em materiais biológicos

EXCITAÇÃO IONIZAÇÃO

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


Especialidade médica que Especialidade médica que utiliza a radiação utiliza a radiação ionizanteionizantecom com

fins terapêuticos.fins terapêuticos.

RadioterapiaRadioterapia


Unidade de DoseUnidade de Dose

GrayGray (Gy) = J x Kg (Gy) = J x Kg --11

1 1 GrayGray (Gy) = 100 (Gy) = 100 cGycGy


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

Radiação Ionizante

INDIRETAMENTE IONIZANTE

DIRETAMENTE IONIZANTE

Absorção dos Raios X

• partículas carregadas: prótons, elétrons e partículas-αααα

• energia cinética suficiente

• produzem diretamente mudanças químicas e biológicasno meio absorvedor

Diretamente Ionizantes


• 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


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


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


± 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

Quebras do DNA

• morte celular

• mutação

• carcinogênese

Estrutura do DNA

• Estrutura do DNA :

• grande molécula em dupla hélice

• duas “fitas” unidas por pontes

de hidrogênio

Estrutura do DNA

• “Espinha Dorsal”• grupos fosfato e

açúcar alternados

• 4 bases nitrogenadas

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 Dicêntrico

DICÊNTRICO

NORMAL

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

Aberrações Cromossômicas Anel

• 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 Ponte de Anáfase

Ponte de Anáfase

Normal

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)


Parte 2

A importância radiobiológicado fracionamento da dose

Eficácia do fracionamento e os 4 R´s

Redistribuição no ciclo celular

Reoxigenação das células hipóxicas

Reparo ao dano subletal

Repopulação

R




Repopulação


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)


�� Para Para RxtRxt da célula da célula tumoraltumoral ::Rxt

Célula tumoral

Perda da integridadereprodutiva

Capacidade reprodutivamantida

Clones sobreviventes(células clonogênicas)

Morte celular

��


� Doses usuais de Rxt para morte celular:

MorteFuncional

Morte Reprodutiva

±±±± 100 Gy < 2 Gy


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

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





Repopulação


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

• OER para vários tipos de radiação ionizantes.

Natureza do efeito do O2

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

• Secção histológica de carcinoma brônquico humano.

• Variação com o raio do tumor.

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).

Reoxigenação

• Tumor com população

mista: RxT mata as células

mais oxigenadas.

• Reoxigenação

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.




Repopulação


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.




Repopulação

R



Parte 3

Conceitos radiobiológicos e sua importância na

radioproteção

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.

OBRIGADO!!!

Röentgen Becqerel Pierre Curie Marie Curie

Max Planck Einstein Compton Niels Bohr

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