Ionización Absorción de la radiación en material biológico Excitación Los eventos ionizantes se localizan espacialmente a lo largo del recorrido de las partículas cargadas individuales. Distribución espacial depende de: Tipo de partículas Carga Masa Energía EJEMPLOS Rayos X producen electrones rápidos (partículas de masa despreciable y carga negativa) : . La probabilidad de que un electrón interaccione con un átomo es baja . Interacciones lesivas son escasas . Eventos ionizantes están muy separados en el espacio ESCASAMENTE IONIZANTES EJEMPLOS Neutrones (radiación corpuscular), dan lugar a protones, son partículas con masa y carga apreciable ( masa 2000 veces > electrón) : . Mayor probabilidad de interaccionar con la materia . Interacciones lesivas considerables . Generan una columna densa de ionización . Pierden energía rápidamente, produciendo muchas ionizaciones en una distancia corta ALTAMENTE IONIZANTES CONCEPTO: En 1962, la Comisión Internacional de Unidades Radiológicas la define como la energía depositada por una partícula cargada por unidad de distancia recorrida. Cociente de: LET = dE dL dE: energía impartida localmente al medio por una partícula cargada dL: distancia atravesada Se expresa en Kilo electrón voltio por micra: KeV/µm LET es un promedio pues a nivel microscópico, la cantidad de energía por unidad de longitud varía en un rango tan amplío que algunos investigadores consideran que la LET tiene poco significado. Es útil como una forma sencilla para indicar la calidad de los diferentes tipos de radiaciones. Para un tipo de partícula cargado, a > energía < LET y por tanto < eficacia biológica. Dosis iguales de radiaciones de distinta LET no producirán la misma respuesta biológica. Es posible calcular un promedio de diferentes maneras Métodos más utilizado: . Calcular el promedio de la distancia recorrida dividiendo el recorrido en longitudes iguales depositada en segmento de longitud cálculo de la energía búsqueda de la media. . El promedio de la energía se obtiene dividiendo la distancia en incrementos iguales de energía y un promedio de longitud sobre la que se depositan dichos incrementos. Promedio de longitud Promedio de energía EJEMPLOS En el caso de los Rayos X, o partículas con una sola carga, los dos métodos de rendimiento dan resultados similares. En el caso de Neutrones de 14 MeV, por el contrario, la LET promedio de longitud es de aproximadamente 12 KeV/µm, LET promedio de energía es de 100 KeV/µm. Las propiedades biológicas de neutrones tienden a correlacionarse mejor con el promedio de energía. Valores típicos de LET TIPO DE RADIACIÓN LET KeV/µm Cobalto-60 Rayos-γ 0.2 Rayos X 250 KeV 2.0 Protones 10 MeV 4.7 Protones 150 MeV 0.5 Partículas α 2.5 MeV 166 Radiación espacial 1,000 Electrones1.0 MeV 0.25 Electrones 1.0 KeV 12.3 Neutrones 14 MeV Promedio Longitud: 12 Promedio de energía: 100 CONCEPTO: Es la relación entre una dosis de la radiación problema con una dosis de rayos X de 250 KeV que produzca la misma respuesta biológica. Cociente de: RBE = D250 Dr D250: dosis en Rads de Rayos X de 250 KeV Dr: dosis en Rads de otra radiación administrada en las mismas condiciones para producir el mismo efecto biológico La constante es la respuesta biológica, no la dosis de radiación; lo que realmente se mide es la eficacia biológica de radiaciones de distinta LET. La cantidad de radiación se expresa en términos de la dosis absorbida y la unidad física utilizada es el Gray o Rad. La dosis absorbida es una medida de la energía absorbida por unidad de masa de tejido. Dosis iguales de diferentes tipos de radiación no producen efectos biológicos iguales. Por ejemplo: 1 Gy de Neutrones produce > efecto biológico de 1Gy de rayos X, la diferencia radica en el patrón de deposición de energía a nivel microscópico. Para medir la RBE se elige un sistema biológico en el cual pueda medirse cuantitativamente el efecto de las radiaciones. Ejemplo 1: Dos grupos de plantas, un grupo expuesto a dosis graduales de rayos X y otro a dosis de neutrones; se midió la letalidad. Se obtuvo la LD50 = dosis a la cual muere la mitad de las plantas de un grupo (dosis letal media). Supongamos que la LD50 para rayos X es de 6 Gy (600 Rad) y que para neutrones es 4Gy (400 Rad), la RBE de neutrones comparado con los rayos X es la relación 6:4 ó 1.5. Ejemplo 2: Sistema de prueba: respuesta de un cultivo de células de mamífero, la RBE se calculó a partir de curvas de supervivencia (relación de las dosis que producen el mismo efecto biológico). . Si el punto final elegido para la comparación es la dosis requerida para producir una fracción de supervivencia de 0,01 entonces la dosis de neutrones necesaria es 6,6 Gy (600 rad); la dosis correspondiente de rayos X es 10 Gy (1000 rad), la RBE, entonces, es el cociente de 10/6.6 ó 1.5 aproximadamente. Las curvas de supervivencia de rayos X y de neutrones tienen diferentes formas, la de rayos X tiene un hombro inicial y la de neutrones es una función exponencial de la dosis. La RBE resultante depende del nivel de daño biológico y por tanto de la dosis elegida. La RBE aumenta al disminuir la dosis Curva de supervivencia típica de células de mamíferos expuestas a Rayos X y Neutrones rápidos. A: Dosis simple: La curva de supervivencia para rayos X tiene un gran hombro inicial; para neutrones, el hombro inicial es la pequeño y la pendiente final pronunciada. Debido a las formas diferentes en las curvas, la RBE no es un valor único ya que varía con la dosis, aumenta al disminuir la dosis. B: Dosis fraccionadas: El resultado de dar dosis de rayos X o neutrones rápidos en 4 fracciones iguales para producir el mismo nivel de supervivencia que en A. El hombro de las curvas de supervivencia se expresa luego de cada fracción de dosis; el hecho de que el hombro es mayor para rayos X que para neutrones resulta en una RBE mayor para tratamientos fraccionados. RBE varía mucho según el punto de tejido o el efecto final de estudio. Broerse y Barendsen en los Países Bajos han obtenido las curvas de supervivencia de un número de diferentes líneas de células expuestas a neutrones y rayos x. Radiosensibilidad intrínseca entre los diversos tipos de células (células de médula ósea de ratón, células de leucemia linfocítica de ratón, células cultivadas de riñón humano, células de rabdomiosarcoma de rata y células de las criptas intestinales del ratón. Las células madre de la médula son los más sensibles; células de las criptas intestinales son las más resistentes (expuestas a rayos x). Hay una gama de radiosensibilidad para la irradiación con neutrones, pero las diferencias entre los diversos tipos de células ahora es más pequeño. La principal diferencia es que las curvas de supervivencia de rayos x tienen grandes y variables hombros iniciales; la región del hombro para neutrones es más pequeño y menos variable, como consecuencia, la RBE es diferente para cada línea celular Curva de supervivencia obtenida para rayos x de 250 KeV, neutrones de 15 MeV y partículas alfa de 4 MeV. A medida que se incrementa la LET, la curva de supervivencia se hace más pronunciada y el hombro de la curva se hace progresivamente menor. Una forma más fácil de representar los datos es trazar la RBE en función de la LET. Variaciones del RBE en función de la LET en células de mamífero de origen humano. La RBE aumenta al máximo a una LET de aproximadamente 100 KeV/µm y posteriormente cae para valores más altos de LET. Las curvas 1,2,3 representan niveles de supervivencia de 0.8, 0.1 y 0.001, respectivamente, señalan que el valor absoluto de la RBE no es única sino que depende del nivel de daño biológico y, por tanto, de la dosis. La LET biológicamente efectiva es aquella en la que existe una coincidencia entre el diámetro de la hélice de ADN y la separación media de eventos ionizantes. Radiaciones que tienen esta LET óptima incluyen neutrones de unos pocos cientos de kilo electrón voltio, así como los protones de baja energía y partículas alfa. Para un tipo de partícula cargado, a > energía < LET y por tanto < eficacia biológica. La radiación de unos 100KeV / µm es óptima en términos de producción de un efecto biológico. En esta densidad de ionización, la separación media entre eventos ionizantes casi coincide con el diámetro de la doble hélice de ADN. Radiación con esta densidad de ionización tiene la mayor probabilidad de causar una rotura de doble cadena por el paso de una sola partícula cargada, y roturas de doble hebra son la base de la mayoría de los efectos biológicos. la Mutación o muerte celular. Calidad de la radiación: tipo de radiación y su energía, ya sea electromagnético o de partículas, y si es cargada o no. Dosis de radiación: dosis total y el número de fracciones de dosis, en general, la forma de la relación dosis-respuesta varía para radiaciones que difieren sustancialmente en su LET. Número de fracciones de dosis Tasa de dosis: la respuesta biológica a las radiaciones ionizantes depende poco de la velocidad a la que se entrega la radiación. Sistema biológico o punto final: los valores de la RBE son altos para los tejidos que acumulan y reparan una gran cantidad de daños subletales y baja para aquellos que no lo hacen. Curva de supervivencia para diferentes células de origen humano Expuestas a distintos tipos de radiación y en condiciones de oxigenación e hipoxia Relación de potenciación por el oxígeno (OER): compara la respuesta de las células a la radiación en presencia y en ausencia de oxígeno. OER es el cociente entre la dosis de radiación que produce una respuesta biológica dada en ausencia de oxígeno y la dosis de radiación que produce la misma respuesta biológica en presencia de oxígeno. El efecto de oxígeno es más pronunciado para los rayos X y γ (baja LET) y no es tan efectivo para los neutrones y las partículas alfa (alta LET) Este hecho se explica por las diferencias físicas entre los 2 tipos de radiaciones de alta LET no serían reparables y por lo tanto la presencia de oxígeno no potenciaría la respuesta a la radiación en la misma medida que las radiaciones de baja LET La OER para radiaciones de alta LET varía entre 1,7 y 1,2. Para aplicar dosis límites y en radioprotección El factor de ponderación de la radiación según la ICRP: se basa considerando valores experimentales de la respuesta biológica efectiva, puntos importantes basados en la radiobiología y en la radioprotección, tales como: la tasa de dosis. Se calcula: dosis absorbida x factor de peso Es una unidad para todas las radiaciones de baja LET (Rayos x, gamma y electrones, con un valor de 20) La dosis equivalente es expresada en Sievert si la dosis absorbida es expresada en Gray y si es en Rad, la equivalente es en Rem. Usando este sistema una dosis absorbida de 0.1 Gy (10 Rad) de radiación con un factor de ponderación de 20 resulta en una dosis equivalente de 2 Sv (200 Rem).
