Octávia Monteiro Gil - projects.itn.ptprojects.itn.pt/ARIAS/EDUCACAO_TREINO_RADIOPROTECAO/Efeitos... · de átomos e produção de radicais livres que podem causar lesão biológica

1

Grupo de Protecção e Segurança Radiológica

Campus Tecnológico e Nuclear

Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa

Octávia Monteiro GilOctávia Monteiro Gil

ARIAS- Aplicações da Radiação

Ionizante para um Ambiente Sustentável

3 de Outubro 2014

Curso em PSR WP4 “Educationand Training in Radioprotection”

Radiação solar Radiação cósmicaRaios XMedicina Nuclear

Produtos de consumo

Resíduos radioactivos

Radiação terrestreAlimentação

Energianuclear



Representa cerca de 55% da exposição a radiaçãoionizante• Características

– Gás nobre (VIIIB da T.P.)– Incolor, insípido, inodoro– Ubiquitário– Forma-se a partir do decaimento do 226Ra– É radioactivo emissor de partículas α, 218Po,

tempo de semi-vida 3,8 dias– Afecta a qualidade do ar interior das casas– EUA (EPA-Environmental Protection Agency) é

considerado a 2ª causa mais frequente decancro do pulmão

2


• Representam cerca de 3-4% da exposição a radiação ionizante

• Água (222Rn), alimentos - batata (40K) e tabaco (218Po e Pb)

• Em toda a dieta existe sempre uma radioactividade residual

• Este tipo de exposição torna-se particularmente preocupanteapós acidentes/explosões nucleares

• Na Europa, após o acidente de Chernobyl os alimentos têm vindoa ser monitorizados em termos de radionuclídeos presentes(137Cs, 131I) e/ou em termos de radioactividade

• Alguns alimentos de origem vegetal (couves, cereais, batatas,fruta) bem como de origem animal (leite de vaca, carne de rena)sofreram aumentos de radioactividade de várias ordens degrandeza


Estudo da acção das radiações ionizantes em tecidos

vivos • 1ª experiência em radiobiologia - Henry Becquerel:

2 semanas Becquerel andou com um “container” de rádio no bolso

eritema → ulceração → cicatrização

• 1901 Pierre Curie experiência semelhante com rádio, no seu antebraço

produziu uma queimadura

•1902 - 1º cancro de pele induzido pela radiação ionizante

•1911 - leucemia induzida por RI

•1920 - cancro ósseo, pintores de relógios de parede

•1930 - cancro de fígado e leucemia, administração de torotraste

•1940- leucemia entre os primeiros radiologistas

•Estudos nos sobreviventes japoneses da bomba atómica (Agosto1945)

•Estudos após acidente de Chernobyl (Abril 1986)

•Estudos após o acidente de Fukushima Daiichi (Março 2011)


3


Não possui energia suficiente paracausar ionizações. A exposição a estesagentes não induz nem mutações,nem aberrações cromossómicas,contudo pode estar relacionada comalterações fisiológicas

Radiação ionizante Radiação não ionizante

Energia suficiente para retirarelectrões de um átomo, quebrandoligações químicas, causando ionizaçãode átomos e produção de radicaislivres que podem causar lesãobiológica (mutações, aberraçõescromossómicas, morte celular).

• Partículas carregadas: α, β, protões,electrões.• Partículas não carregadas: neutrões.• Radiação electromagnética - fotões:raios γ, raios X.

• Radiação UV• Radiação infravermelha• Laser• Microondas• Luz visível

Não possui energia suficiente paracausar ionizações. A exposição a estesagentes não induz nem mutações,nem aberrações cromossómicas,contudo pode estar relacionada comalterações fisiológicas

Radiação ionizante Radiação não ionizante

Energia suficiente para retirarelectrões de um átomo, quebrandoligações químicas, causando ionizaçãode átomos e produção de radicaislivres que podem causar lesãobiológica (mutações, aberraçõescromossómicas, morte celular).

• Partículas carregadas: α, β, protões,electrões.• Partículas não carregadas: neutrões.• Radiação electromagnética - fotões:raios γ, raios X.

• Radiação UV• Radiação infravermelha• Laser• Microondas• Luz visível

Absorção da radiação

Ionização

Alteração química

Reparação ou Lesão

Morte celularEfeitos em tecidos ou órgãosEfeitos corporais

Efeitos de alta dose

MutaçõesCancroEfeitos teratogénicos

Efeitos de baixa dose


Átomo

Molécula

Célula

Tecido

Corpo

Orgão


4



- grande molécula em dupla hélice

- duas “fitas” unidas por pontes de hidrogénio

- ”coluna vertebral” constituída por um grupo fosfato e açúcares alternados

- 4 bases : adenina, guanina, timina e citosina

Acção directa

• Interacção directa com os átomos da molécula de DNA

• Predominante para radiação de alta transferência linear de energia (LET)

• Corresponde a cerca de 30% dos efeitos biológicos da radiação de baixa LET – raios X

ACÇÃO DIRECTA

ACÇÃO INDIRECTA

Fotão

Fotão


5

Acção indirecta

• Interacção com as moléculas de água- radiólise da água

• Produção de espécies reactivas deoxigénio

• Corresponde a cerca de 70% dosefeitos biológicos da radiação debaixa LET – raios X

ACÇÃO DIRECTA

ACÇÃO INDIRECTA

Fotão

Fotão



• Radicais contendo oxigénio (têm pelo menos 1 electrão desemparelhado na orbitalde valência):

– OH. radical hidroxilo

– O2.- radical superóxido (via Haber-Weiss: Fe3+ � OH.)

– ROO. radical peroxilo

– RO. radical alcoxilo

• Espécies não radicalares que também contêm oxigénio:

– H2O2 peróxido de hidrogénio (via Fenton: Fe2+ � OH.)

– 1O2 oxigénio singleto


Membranas

formação de peróxidos lipídicos

alterações das propriedades das membranas

alteração no potencialinactivação de substâncias

receptoras ligadas à membrana

mudança de permeabilidade

decréscimode fluidez

escoamento de Ca++

e outros iõesaumento da susceptibilidade da

membrana ao ataque enzimático

perda da integridade

LISE CELULAR

6


Nível do organismo Efeitos principais

MolecularLesões em macromoléculas, enzimas, DNA,RNA,

interferência no processo metabólico

Sub-celularLesões em membrana celular, núcleo,

cromossomas, etc.

CelularAgudo - inibição da divisão e morte celular

Tardio - transformação maligna

Tecido e órgãoFalência ou lesão grave no SNC, medula óssea e

tubo digestivo podendo levar à morte; indução

de cancro

OrganismoDiminuição do tempo de vida

Morte

PopulaçãoAlterações nas características genéticas

(descendentes)

Mutações (no indivíduo)


Aducto

(DSB)

(SSB)


-Ocorrem em média 1016 divisões celulares num ser humano numa

vida (num ratinho ocorrem 1012 divisões celulares)

-Um adulto tem ~ 1014 células

-Mutações ocorrem espontaneamente a uma taxa de 0,0000001 (10-7)

por gene por divisão celular

-Numa vida, pode ocorrer uma mutação num gene em 109 ocasiões numa célula!!!

(Sem contar com exposição a agentes genotóxicos)

7


A detecção de lesões do DNA, provoca

a activação de sistemas de reparação

enzimática que permitem identificar,

suprimir ou reparar, muitas vezes em

menos de uma dezena de minutos, as

lesões provocadas por agentes

mutagéneos.

A actuação destes sistemas assegura,

definitivamente, a reparação da maior

parte das lesões do DNA, mantendo

deste modo a estabilidade das

informações por ele codificadas.

T C

A

desoxiribose

Bases

DNA

G


Lesão do DNA

Remoção da lesão

Síntese do DNA reparado

1ª Etapa Excisão – a lesão é

eliminada por acção de nucleases,

cada qual especializada no tipo de

lesão.

2ª Etapa Re-síntese - a sequência

original do DNA é restaurada pela

DNA polimerase que preenche o

vazio criado pela excisão.

3ª Etapa - Ligação a DNA ligase sela

o “nick” deixado no açúcar/fosfato da

cadeia reparada refazendo-se a

ponte fosfodiéster entre os

nucleótidos adjacentes.

Morte celular, aberrações

cromossómicas, etc.

Viabilidade celular

Lesão no DNA

Reconhecimento da lesão DNA

Sem errosApoptoseCom erros

Cancro

Segundos

Anos

Tempo

Reparação do DNA Sem reparação do DNA

Activação génica

Paragem no ciclo celular

Mutações, aberrações cromossómicas, etc.

Sem erros Com erros

J.-P. Pouget, S. J. Mather, Eur J Nucl Med (2001) 28:541–561

Reparação do DNA

Instabilidade

cromossómica

Sem reparação do DNA

Viabilidade celular Morte mitótica Fixação da mutação

Minutos

1ª mitose1ª mitose

n mitosesn mitoses

8


A molécula de DNA é uma das poucas moléculas na célula que é reparada; outras moléculas são substituídas

Existem mais de 130 genes relacionados com a reparação de DNA

Uma reparação inadequada ou errada dá lugar a:

- Mutação- Transformação maligna → cancro- Morte celular ou tecidular - Envelhecimento precoce

A radiosensibilidade das espécies apresenta uma larga margem de variação.

Adaptado de UNSCEAR, 1996

Valores aproximados das doses letais agudas para os vários grupos taxonómicos.

101044101033101022101011101000

DOSE LETAL AGUDA (Gy)DOSE LETAL AGUDA (Gy)

MAMÍFEROSMAMÍFEROS

AVESAVES

PLANTAS SUPERIORESPLANTAS SUPERIORES

PEIXESPEIXES

ANFÍBIOSANFÍBIOS

RÉPTEISRÉPTEIS

CRUSTÁCEOSCRUSTÁCEOS

INSECTOSINSECTOS

MUSGOS, LÍQUENES, ALGAS MUSGOS, LÍQUENES, ALGAS

BACTÉRIABACTÉRIA

PROTOZOÁRIOSPROTOZOÁRIOS

MOLUSCOSMOLUSCOS

VIRUSVIRUS

104103102101100

DOSE LETAL AGUDA (Gy)

MAMÍFEROS

AVES

PLANTAS SUPERIORES

PEIXES

ANFÍBIOS

RÉPTEIS

CRUSTÁCEOS

INSECTOS

MUSGOS, LÍQUENES, ALGAS

BACTÉRIA

PROTOZOÁRIOS

MOLUSCOS

VIRUS


Lei de Bergonié e Tribondeau :

A sensibilidade das células à radiação está na razão directa da sua

actividade proliferativa e na razão inversa do seu grau de

diferenciação.

As células cancerosas, que se dividem rapidamente e não são especializadas,são bastante sensíveis à radiação (base da radioterapia).As células nervosas, que se dividem mais lentamente e são altamenteespecializadas, são mais resistentes à radiação.


9

Células muito radiosensíveis

Células radiosensíveis

Células pouco radiosensíveis


Sensibilidade das células à radiação


LinfócitosCélulas germinaisCélulas hematopoiéticasEpitélio intestinalPeleCélulas ósseasCélulas nervosasTecido muscular

Mais radiosensíveis

Menos radiosensíveis


UNSCEAR: “não existe uma dose “segura” de exposição aradiação sob o ponto de vista genético, sendo quequalquer exposição à radiação pode envolver um certorisco de indução de efeitos hereditários e somáticos”

UNSCEAR- United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation

10


Efeitos estocásticos – efeitos que podem ocorrer segundouma lei probabilística. Tem de ser analisada umapopulação e não o indivíduo

Efeitos determinísticos – efeitos que ocorrem com toda acerteza quando o indivíduo está exposto a uma dose deradiação acima de um certo limiar

Efeitos biológicos


• Podem resultar da exposição a baixas doses durante grandesperíodos de tempo - exposição crónica.

• A gravidade é independente da dose total e não existe um limiar dedose.

• Exemplo típico destes efeitos são as mutações: alterações no DNA .

• Muitas vezes o organismo não consegue reparar estas mutações, ouentão fá-lo de uma forma deficiente, criando novas mutações.

As mutações podem ocorrer nas células germinais ou nas célulassomáticas:

• As mutações nas células somáticas afectam apenas o próprioindivíduo que foi exposto – podem originar cancro

• As mutações nas células germinais podem ser transmitidas para adescendência – podem originar efeitos hereditários

• Surgem quando há exposição a elevadas doses de radiação, e tornam-se mais graves à medida que a exposição aumenta.

• Pequenos períodos de tempo com altas doses de radiação sãodesignados por exposição aguda.

• Existe um limiar de dose, ou seja, para valores de exposição acimadeste limiar observa-se necessariamente, para todos os indivíduos, umalesão. É um efeito certo.

• Muitos dos efeitos não cancerígenos provocados pela radiação são nãoestocásticos.

• Os efeitos determinísticos observam-se pouco tempo após a exposiçãoà radiação e observam-se na pele, nos órgãos reprodutores, na medulaóssea, e nos intestinos. Contudo há efeitos que só vem a serobservados mais tardiamente, como é o caso das cataratas.


11


Efeitos reprodutivos e no desenvolvimento fetal

Efeitos na fertilidade

Efeitos provocados por mutações somáticas e hereditárias


Síndrome prodrómico

Sintomas neuromusculares – febre, fadiga, hipotensãoSintomas gastrointestinais – anorexia, vómitos, diarreiaSintomas neuromusculares – febre, fadiga, hipotensãoSintomas gastrointestinais – anorexia, vómitos, diarreia

15 minutos

Síndrome hematopoiético

Aplasia medular – anemia grave, infecções (ausência deleucócitos) e hemorragias incontroláveis (ausência deplaquetas)

Aplasia medular – anemia grave, infecções (ausência deleucócitos) e hemorragias incontroláveis (ausência deplaquetas)

> 3 semanas

Síndrome gastrointestinal

Destruição das células de revestimento do epitéliointestinal: incapacidade de absorção de água e nutrientes,diarreia e consequente desidratação

Destruição das células de revestimento do epitéliointestinal: incapacidade de absorção de água e nutrientes,diarreia e consequente desidratação

± 10 dias

Síndrome cerebrovascular

Náuseas, vómitos, diarreia, hipotensão. Desorientação, faltade coordenação muscular, falência respiratória, comaNáuseas, vómitos, diarreia, hipotensão. Desorientação, faltade coordenação muscular, falência respiratória, coma

24 – 48 horas

Morte

• A pele é o maior órgão do corpo humano,possuidora de múltiplas funções biológicas.

• Como facilmente se compreende, é o primeiroórgão a sofrer danos resultantes de exposiçãoa radiação externa.

• A gravidade das lesões cutâneas estádependente da dose recebida e do tempo deexposição.


12

• Radiodermite precoce:– Aparece num curto espaço de tempo após a

exposição– Dose elevada (5 Gy)– Reversível

• Radiodermite tardia:– Aparece normalmente muito tempo após a

exposição (meses a anos)– Irreversível– Profissões típicas (radiologistas)


Radiodermite precoce

Fotografia de dois sobreviventes de Nagasaki, 63 dias depois da explosão:

• Eritema cutâneo

• Queda de cabelo


Homem de 40 anos, submetido a 2 angiografias coronárias

Maio de 1990, USA

Controlo fluoroscópico. Dose total desconhecida (mas > 20 Gy)

6 a 8 semanas após as angiografias

16 – 21 semanas: Úlcera da pele

18 – 21 meses: Necrose da pele

Resolução da úlcera após transplante de pele


13

Lesões cutâneas crónicas induzidas pela radiação(Dose superior a 10 Gy)


Catarata (opacificação) do cristalino induzida pela radiação

Doses acumuladas de 0,5 Gy (ICRP 2011)

Cristalino normal Catarata



Esterilidade

0,25 GyAlteração no número e qualidade dos espermatozóides

6 GyPermanente

Esterilidade

3 Gy± 40 anos – permanente

± 20 anos – temporária

8 GyPermanente

14

• Baixa dos glóbulos brancos

• Baixa dos glóbulos vermelhos

• Aplasia medular

A medula óssea é um órgão muito radiosensível

Leucemias


• Exposição aguda a elevada dose de radiação:

– Náuseas e vómitos

– Período de latência

– Diarreia, cólicas intestinais

– Obstrução intestinal



Exposição Efeito

Dose ExternaMonitorização Ambiental

Dose InternaMonitorização Biológica

Dose em locais críticosMonitorização de efeitos Biológicos

Efeitos Adversos PrecocesMonitorização Ambiental

Vigilância da saúde

Doença (Irreversível)Vigilância da saúde

Factores Genéticos Monitorização da

Susceptibilidade

Biomarcadores Citogenéticos

Rodrigues, AS et al., Radiation Protection Dosimetry (2005)

15

Aberrações cromossómicas– alterações na estrutura normal dos cromossoma, ouno seu número, que podem ocorrer espontaneamente ou como resultado deexposição a agentes químicos e físicos

Dos diversos biomarcadores de exposição à radiação ionizante a utilização de ensaioscitogenéticos tem revelado especial interesseExistem biomarcadores citogenéticos que podem ser utilizados para avaliação do riscode exposição à RI:

Aberrações cromossómicas

Cromossomas dicêntricos anéis

Translocações

Micronúcleos

Outros biomarcadores: troca entre cromátides irmãs, Comet assay, γ-H2AX



Aberrações cromossómicas estruturais podem ser induzidas por:

quebra directa do DNAreplicação num template alterado de DNAinibição da síntese de DNA

Classificação das aberrações cromossómicas:

cromatídicascromossómicas

Aberrações cromossómicas observadas em células em metafase


G1

G2

G2

Irradiação

em G1

Irradiação

em G2

Quebra de

cromátide

Quebra simples

ou dupla de

cromátide

Replicadaem S e

passadaatravés de

G2

Replicadaem S e

passadaatravés de

G2

Observada

em M

Observada

em M

16


Quebra de

cromátides

Irradiação

em G1

Unem-se

durante S

Observada

em M

+

anel

dicêntrico


Anel

Dicêntrico

Fragmento

Tetraradial


17


Técnica com necessidade de operadores especializadasIneficaz para exposições passadas (anos)

Desvantagens

Eficaz para exposições recentesEficaz para exposições recentesEspecífico de exposição a RIBoa correlação com dosimetria físicaIndicador bem estudado

Vantagens

Exemplo: Uma pessoa exposta acidentalmente; Dose média ~5 Gy, distribuição não homogénea:

Cabeça: 2 GyPé esquerdo: 50 Gy

Dicêntricos:

Imediatamente após exposição - 63/100 célulasApós 24 meses - 20/ 100 célulasApós 99 meses - 7/ 100 célulasApós 227 meses - <1/ 100 células

Léonard et al., ICRS-RPS, 2004



Translocação - quando há transferência de uma porção de um cromossomaou até um cromossoma inteiro, para outro não homólogo.

18

Octávia Monteiro Gil

T


T


T

19


T

Translocações numa pessoa exposta a plutónio no complexo militar Russo em MAYAK, detectadas com FISH

Hande et al., 2005

T(2)→T(13)T(9)→T(14)T(13)→T(9)T(14)→T(2)


T

Técnica muito caraNecessita de pessoas com alguma experiência

Desvantagens

Eficaz para exposições passadasPossibilita a análise de aberrações estáveisPermite uma análise dos mecanismos envolvidosDe mais fácil visualização

Vantagens


T

20


Micronúcleo - estruturas (pequenos núcleos) que se encontramno citoplasma de células em divisão que possuemcaracterísticas semelhantes às do núcleo principal e sãoformados por fragmentos acêntricos ou por cromossomasinteiros

Observados em células em interfase

Radiação

Ionizante

CitocalasinaB

A

D C

B

Oliveira N., 2003

Radiação ionizante origina quebras de DNA

A

Quebras de DNA não reparadas originam quebras de cromátide e de cromossoma e respectivos fragmentos acêntricos nas células em metafase

B

Os fragmentos, por serem acêntricos, não migraram para os pólos do fuso mitótico durante a anafaseseguinte (efeito clastogénico – seta vermelha); cromossomas em que ocorreu alguma anomalia no processo de migração também não se deslocaram para os pólos do fuso mitótico (efeito aneugénico – seta verde)

CC

Os fragmentos /cromossomas inteiros foram envolvidos por uma membrana semelhante à membrana nuclear, formando pequenos núcleos –micronúcleos, os quais são visíveis em células binucleadas se for bloqueada a citocinese com citocalasina B.

DD


T


21


Variabilidade de respostaIneficaz para exposições passadas (anos)Idade influência o seu aparecimento

Desvantagens

Eficaz para exposições recentesBoa correlação com dosimetria físicaNão é especifico de RIIndicador bem estudadoTécnica mais barataFácil visualização

Vantagens

É importante correlacionar os efeitos genéticos observados do biomarcadorestudado com a dose de radiação ionizante recebidaO cálculo desta dose é sempre aproximado e poderá dar uma ideia da ordem degrandeza da exposição a que a população foi sujeita

Várias curvas dose-resposta, obtidas em condições experimentais usualmentestandard, são descritas para o ensaio citogenético escolhido (dicêntricos,micronúcleos, etc)

Em relação a exposição a RI o biomarcador de excelência que é maiscomummente utilizado, é a formação de cromossomas dicêntricos nos linfócitosdo sangue periférico

Limitação – extrapolação para situações que ocorreram in vivo (exposição aguda oucrónica) doses obtidas através de parâmetros matemáticos resultantes de estudosde genotoxicidade elaborados in vitro


Curva dose-resposta para aberrações cromossómicas em linfócitos humanosproduzida pela radiação gama (baixa LET) (adaptado de Hall, 1994).

Modelo linear-quadrático


Y→Efeito observadoB→Backgroundα→parâmetro linear β→parâmetro quadrá^co

Y=B + αD + βD2

22


Y=B + αD + βD2

Curva dose-resposta para a população portuguesa usando comobioindicador o número de cromossomas dicêntricos.

Estudados 12 dadores → 8 400 metafases completas (46 cromossomas)

0

10

20

30

40

50

60

70

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

% C

rom

oss

om

as

dic

ên

tric

os

Dose (Gy)


Y=B + αD + βD2

Curva dose-resposta para a população portuguesa usando comobioindicador o número de cromossomas dicêntricos.

16 dadores → 11 200 metafases completas (46 cromossomas)


Martins et al. (2013) Mutat Res 750 (1-2),50-54

23

Y=B + αD + βD2

Curva dose-resposta para a população portuguesa usando comobioindicador o número de células binucleadas com micronúcleo.

Estudados 6 dadores → 42 000 células binucleadas

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

% C

élu

las

bin

ucl

ea

da

s co

m m

icro

nú

cle

o

Dose (Gy)


Y=B + αD + βD2

Curva dose-resposta para a população portuguesa usando comobioindicador o número de células binucleadas com micronúcleo.

16 dadores → 128 000 células binucleadas

y = 0.0193x2 + 0.0241x + 0.0122R² = 1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5

Mic

ronu

clei

/cel

l

Dose (Gy)

Grupo de Protecção e Segurança RadiológicaAntunes et al. (2014) Mutat Res 760 (Jan), 17–22

• Aumento significativo e persistente da frequência linfócitosmicronucleados (‰MNCB) por um período até 24 meses

Meses

**

*

Grupo de Protecção e Segurança RadiológicaMonteiro Gil et al. (2000) Mutagenesis, 15, 69-75

24

Meses

• Aumento significativo e persistente dafrequência de células aberrantes (%CAEG)até 24 meses

**

*

Monteiro Gil et al. (2000) Mutagenesis, 15, 69-75 Octávia Monteiro Gil


Exposição acidental a

radiação ionizante

Recolha de sangue periférico

Cultura

+

Técnica das Aberrações

Cromossómicas

Análise de células em metafase:

microscópio óptico

Estimativa da Dose de

exposição através de uma

curva dose-resposta

y = 0.048x2 + 0.0105x + 0.0011

R² = 1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Dic

en

tric

s/ce

ll

Dose (Gy)


� 100 metafasesanalisadas

� 7 cromossomas dicêntricos

Dose estimada:

1.094 Gy

25


Muito obrigada!!

A


A


26

A


A


A


27

A


A


Documents

Octávia Monteiro Gil - projects.itn.ptprojects.itn.pt/ARIAS/EDUCACAO_TREINO_RADIOPROTECAO/Efeitos... · de átomos e produção de radicais livres que podem causar lesão biológica