Radiobiología: Estudio de las Radiaciones Ionizantes en Seres Vivos

Se define radiobiología como el estudio de la acción de las radiaciones ionizantes sobre los seres vivos. Su objetivo es la descripción de los efectos que la radiación produce en los seres humanos.

Mecanismo de Acción de las Radiaciones Ionizantes

La radiación es toda forma de energía que se propaga a distancia sin necesidad de un medio conductor y se pueden clasificar, según su naturaleza, en corpusculares y electromagnéticas. Según sus efectos en el medio, se clasifican en ionizantes y no ionizantes.

En la interacción con la materia, la radiación cede parte de su energía a los átomos a través de sucesivas colisiones.

Etapas de la Radiación Sobre la Materia Viva

Etapa Física

Se producen fenómenos como:

• Excitación: un átomo recibe un aporte energético y los electrones pasan de una capa interna a una capa más externa.
• Ionización: un átomo recibe un aporte energético que produce una separación completa del electrón de su átomo.

Para radiación de carácter ondulatorio se producen los siguientes efectos:

• Efecto fotoeléctrico: dicho fotón cede toda la energía a un electrón cercano al núcleo, lo arranca del átomo y le comunica aceleración equivalente a la energía inicial del fotón.
• Efecto Compton: la energía del fotón incidente es suficiente como para eyectar al electrón ligado y proseguir su interacción con una energía remanente. El poder ionizante de los electrones secundarios generados es mayor que el de los fotones incidentes.
• Producción de pares: únicamente puede tener lugar para altas energías del fotón incidente. Dicho fotón, al pasar al próximo núcleo, es absorbido por él, materializándose en su lugar dos partículas nuevas, un positrón y un electrón.

Si la radiación es de tipo corpuscular, intervienen las fuerzas de carácter electrostático:

• Fuerzas de Coulomb: la fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.

El fenómeno más relevante de esta interacción se produce cuando el haz de radiación incidente se compone de partículas cargadas. Si se trata de partículas cargadas de pequeño tamaño, la mayor parte de cesión energética al medio se realiza por radiación de frenado. En este caso, la pérdida de energía que se produce en el electrón es debida a la radiación de frenado y al desvío que, sobre él, ocasiona un núcleo positivo de la materia. Dicho mecanismo es la base de funcionamiento de los tubos de radiación aplicados a la radiología.

Etapa Química

Cuando la radiación colisiona con el ser vivo, lo más probable es que lo haga con una molécula de agua, no con macromoléculas. Por ello, la acción de las radiaciones ionizantes a través de ionizaciones y excitaciones sobre células se clasifica en acción directa e indirecta.

• Acción directa: Se produce por ionizaciones y excitaciones sobre las macromoléculas celulares. En la célula existen moléculas de menor importancia y moléculas clave. Las moléculas clave son los “blancos” más importantes y sobre ellos se producen los impactos de la radiación que producen las lesiones radioinducidas más graves.
• Acción indirecta: Se produce como consecuencia de la ionización del agua. La absorción de la energía da lugar a la formación de radicales libres (contienen un electrón desapareado). Los radicales libres presentan una alta reactividad química por la tendencia del electrón libre a unirse a otro electrón de un átomo de una molécula cercana. Este fenómeno es conocido con el término de radiólisis del agua. El resultado final del proceso de absorción de la radiación por molécula de agua se concreta con la creación tanto de iones (H+ y OH-) como los radicales libres. Por la alta reactividad de los radicales libres formados, en general, no producen daños importantes, pero se pueden originar nuevos radicales libres.

En el caso de producirse daño sobre las moléculas no fundamentales (carbohidratos, lípidos o proteínas), solo se producen efectos transitorios. El problema es cuando accionan los radicales libres con el ADN ya que pueden dar origen a mutaciones en las células.

Etapa Biológica

La etapa biológica se inicia con la activación de los sistemas de reparación del daño producido por las radiaciones. Algunas de estas lesiones serán reparadas y otras no lo serán con lo que se producirá la muerte celular.

Interacción de la Radiación a Nivel Molecular y Celular

Estructura del ADN

El ADN es un ácido formado por nucleótidos. Cada nucleótido está formado por:

• Un azúcar: desoxirribosa ligada a la base
• Un grupo fosfato, ligado al azúcar
• Una base nitrogenada púrica (adenina, guanina) o pirimidínica (citosina, timina).
• Los nucleótidos están unidos entre sí mediante un enlace fosfodiéster (entre el azúcar y el grupo fosfato)

Modelo de Watson y Crick

La molécula de ADN está constituida por dos cadenas complementarias unidas por enlaces de hidrógeno entre las bases. Es una doble hélice, de cadenas complementarias y antiparalelas que se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno entre las bases enfrentadas que se disponen hacia el interior de la doble hélice, mientras que la parte exterior la constituyen los enlaces entre el azúcar y los fosfatos. Los enlaces siempre serán: timina-adenina y citosina-guanina.

Los Cromosomas

Las moléculas de ADN tienden a unirse a proteínas básicas para empaquetar el ADN en un espacio reducido. Así se constituyen los cromosomas, largas cadenas de ADN asociadas a proteínas. El ADN se encuentra empaquetado en el núcleo. El primer nivel de empaquetamiento es la cromatina (collar de perlas) formada por el nucleosoma (grupo de proteínas alrededor de las cuales las parejas de bases dan vueltas). El collar de perlas se sigue compactando, hasta formar un cromosoma. Los cromosomas están formados por dos cadenas de ADN repetidas formando una espiral. En el cromosoma se distinguen dos partes denominadas cromátidas, unidas por un punto llamado centrómero. El centrómero divide las cromátidas en dos partes denominadas brazos. El contenido total de ADN de una célula se denomina genoma.

Lesiones del ADN Producidas por Radiaciones Ionizantes

La radiación puede producir en el ADN roturas, alteraciones en las bases, destrucción de azúcares, formación de puentes y dímeros o una combinación de todos ellos.

Rotura de Cadenas

La rotura simple de cadena se produce entre el enlace de la base nitrogenada y la pentosa o en el enlace fosfodiéster, entre el fosfato y la desoxirribosa. Tras la rotura las dos cadenas de ADN se separan con penetración de moléculas de agua en esa zona, rompiéndose los puentes de hidrógeno entre las bases. También se le llama lesión subletal, ya que no existe relación con la muerte celular, porque es una lesión reparable. Aunque, puede producirse el efecto acumulativo con el consiguiente agotamiento de los mecanismos de reparación.

La rotura de doble cadena es una lesión compleja producida por la rotura de las dos hebras del ADN o por combinación de dos roturas simples de cadenas complementarias. Se le denomina también lesión letal, porque existe una estrecha relación con la muerte celular.

Alteraciones de Bases

Consiste en la pérdida de una o más bases, la modificación química de alguna de ellas y la ligadura entre dos bases contiguas. Las bases pirimidínicas son más sensibles que las púricas. Reaccionan con radicales libres OH*. Son lesiones susceptibles de reparación.

Destrucción de Azúcares

Estas alteraciones son menos conocidas y se producen con menos frecuencia.

Formación de Puentes y Dímeros

Los puentes pueden ser intracadena, intercadena o puentes de ADN con proteínas. Los dímeros se forman por dos bases adyacentes en una misma cadena y pueden tener graves consecuencias para la célula, interrumpiendo la replicación del ADN en consecuencias. Los dímeros más frecuentes son los de timina.

Daño Múltiple Localizado

Se origina en la proximidad de la molécula del ADN. Combina varias de las lesiones difíciles de reparar y conduce a la muerte celular.

Sistemas de Reparación del ADN

Dentro de las células existen unas enzimas moleculares de reparación de las lesiones producidas por la radiación que eliminan e intentan reconstruir la estructura original del ADN. Es así, como se reparan las lesiones.

La eficacia es muy alta, la mayoría de las alteraciones son corregidas y no afectan a la célula. Sin embargo, en algunas ocasiones, no se consigue reparar el daño, lo que suele producir la muerte celular. Las principales razones para que esto se produzca son: la calidad de las lesiones y la acumulación de estas pudiendo llegar a saturar la acción de los mecanismos reparadores.

Efectos de las Radiaciones Ionizantes

Durante la mitosis se puede observar los efectos de las lesiones de las radiaciones ionizantes sobre los cromosomas. Hay que destacar las anomalías no visibles que también pueden tener importantes consecuencias sobre las células. Las alteraciones cromosómicas pueden ser:

• Anomalías en el número de cromosomas
• Anomalías en la estructura de los cromosomas (más frecuentes):
  • Deleciones: pérdida de un fragmento del cromosoma. Tendrá como resultado final un cromosoma más corto y, en el caso del a deleción intersticial, una rotura y unión de los extremos.
  • Anillos: deleciones de los extremos del cromosoma, uniéndose los extremos cortos y formando un anillo. Alteraciones importantes porque son terminales.
  • Dicéntricos: cromosomas con dos centrómeros, rotura de dos cromosomas y fusión de los fragmentos con centrómero.
  • Translocaciones: rotura de dos cromosomas diferentes e intercambio de fragmentos cromosómicos.

Lesiones a Nivel Celular

Las lesiones sobre el ADN producidas por la irradiación pueden ocasionar consecuencias graves para las células, provocando muerte celular o alteración de las características de las células si sobreviven. Del mismo modo que el ADN, otros constituyentes celulares pueden ser dañados por las radiaciones ionizantes:

• Rupturas de los carbohidratos celulares
• Cambios estructurales de las proteínas
• Alteraciones de las funciones enzimáticas
• Cambios en los lípidos celulares

A nivel de las estructuras y orgánulos celulares, se pueden producir daños importantes, aunque son poco conocidos.

Clasificación de las Lesiones Celulares

Las lesiones pueden clasificarse en lesiones subcelulares o aberraciones cromosómicas que no son más que alteraciones de alguna parte de la célula, alargamiento del ciclo celular o retraso de la mitosis, aceleración de los procesos de diferenciación celular, alteraciones de las funciones celulares o incluso la muerte celular.

Para explicar el por qué de una lesión u otra, existe la teoría de la diana, en la que se define la existencia de moléculas clave y su importancia en el mantenimiento de la vida celular. Esto quiere decir que dependiendo de la molécula a la que afecte la radiación, la célula se verá más o menos afectada. La diana principal para la letalidad celular debida a las radiaciones ionizantes es el ADN.

Muerte Inmediata

Muerte en interfase. Se produce en situaciones de exposición global a dosis elevadas, con consecuencia de eliminación inmediata y cese de todas las funciones celulares. Se observan tres fenómenos: degradación del ADN en fragmentos iguales, pérdida de la integridad celular y detritus celulares.

Muerte Diferida

Las dosis bajas de irradiación administrada a células que se dividen o que tienen la capacidad de dividirse producirán pérdida de proliferación celular. También se conoce como muerte celular mitótica. La muerte celular radiobiológica, conocida así como la pérdida de la capacidad de proliferación celular, es el objetivo esencial de la radioterapia sobre los tumores.

Factores que Pueden Modificar la Supervivencia Celular

Existen diversos factores que ante una misma dosis de radiación pueden aumentar o disminuir la supervivencia de las células.

Factores Físicos

• Tasa de dosis: es la energía absorbida por unidad de masa. J/Kg = Gy
• LET: es la energía transferida por longitud KeV/ Micra

Factores Químicos

• Radiosensibilizadores: sustancias que aumentan los efectos de la radiación, ya que aumentan el potencial de los radicales libres. El principal es el oxígeno.
• Radioprotectores: sustancias que disminuyen el efecto de la radiación, ya que disminuyen el potencial de los radicales libres. Se dividen en radioprotectores, adaptógenos y absorbentes.

Factores Biológicos

Se define radiosensibilidad como la forma en la que se manifiesta la acción biológica producida por la radiación sobre una determinada población celular o tejido. Para ello hay que tener en cuenta la Ley de Bergonié y Tribondeau, basada en tres puntos:

• Una célula es más radiosensible cuanto mayor es su actividad reproductiva.
• Una célula es más radiosensible cuantas más divisiones deba cumplir en el futuro.
• Una célula es más radiosensible cuanto menos diferenciadas sean.

Los factores que influyen en el tiempo que tardan en aparecer las lesiones radioinducidas son:

• Ciclo celular: la fase del ciclo celular en el que se encuentre la célula es el momento de la irradiación fundamental, las células en fase de mitosis son más radiosensibles que durante la fase de síntesis.
• El estrés biológico que actúa sobre la célula. La actividad reproductiva representa un estrés biológico considerable.

Efectos Biológicos Radioinducidos

Se denomina efecto a las alteraciones morfológicas o funcionales que podemos observar tras la irradiación.

Efectos Estocásticos

Se producen tras la exposición a dosis de irradiación moderadas-bajas y son consecuencia de los daños subletales en una o varias células. La probabilidad de que aparezca aumenta con la dosis recibida, pero no su gravedad. El efecto estocástico somático inducido por radiación ionizante más importante es el desarrollo del cáncer.

Efectos Deterministas o No Estocásticos

Consecuencia de la muerte de un número elevado de células de un tejido u órgano. Su gravedad aumenta con la dosis recibida.

Respuesta Celular, Sistémica y Orgánica

Una vez puesto en marcha los mecanismos de reparación, podrá aparecer o no el efecto, ya que las células se organizan en estructuras superiores que se denominan tejidos, capaces de asumir déficits celulares sin presentar deterioro.

Respuesta Tisular

Las células que componen el tejido animal adulto no son independientes sino que forman una estructura en la cual en estado normal existe un equilibrio entre muertes y nacimientos, debido a los mecanismos reguladores. Se define tejido como las poblaciones celulares de una determinada estirpe, clase o tipo. En el cuerpo humano desarrollado existen dos tipos de tejido.

Tejido de Organización Jerárquica

Estos tejidos están formados por varios compartimentos celulares independientes.

• Compartimento de células madre: pequeño número de células, con capacidad de responder por mecanismos de interrelación.
• Compartimento proliferativo: proliferación rápida y diferenciación celular.
• Compartimento de células maduras o compartimento funcional: no proliferativo.

Estos compartimentos, en muchas ocasiones, están entremezclados e interrelacionados con unos mecanismos de regulación que hacen que la población celular se encuentre en equilibrio y tiene un tiempo de recambio celular rápido. Por ejemplo, la epidermis.

Al irradiar un tejido se producirá la irradiación de todos estos compartimentos, con un efecto diferente en cada uno de ellos. En el compartimento de células madre se producirá una disminución de estas ya que son de recambio lento, en el compartimento proliferativo también causará una disminución de las células en proliferación por lo que la irradiación producirá muchas muertes celulares, pero estas son de recambio rápido. Las células madre, como respuesta las muertes celulares, aumentarán su proliferación como compensación a las muertes. En el compartimento de las células maduras no varía la expectativa de vida de estas ya que no se dividen y son relativamente “radiorresistentes”.

Tejido de Organización No Jerárquica

Esto tejidos están formados por un solo compartimento celular. Tienen células funcionales maduras de proliferación lenta, con capacidad de proliferar y crear temporalmente un compartimento rápidamente y unos mecanismos reguladores que hacen que esta población celular se encuentre en equilibrio con un recambio celular lento. Por ejemplo los hepatocitos.

Las dosis de radiación producirán lesiones solo en células que estén dividiéndose y la depleción celular será lenta y tardía, debido a que el recambio celular es lento. A medida que se producen las muertes celulares, mecanismos de regulación harán que se recluten células hacia una fase más proliferativa para intentar compensar el déficit.

Reacciones o Efectos Agudos

Se denomina efecto agudo a aquel que aparece en el transcurso o al final de la irradiación y hasta los 6 meses de la irradiación. Producidos por la depleción celular producida en los tejidos rápidamente proliferativos y se resuelven espontáneamente.

Reacciones o Efectos Tardíos

Son aquellos que aparecen a partir de los 6 meses de la irradiación. Producidos por la depleción celular de los tejidos lentamente proliferativos o por un efecto vascular indirecto. No se resuelven espontáneamente. Pueden ser letales o causar alteraciones orgánicas importantes. Los efectos de los efectos tardíos limitan las dosis en radioterapia clínica.

Respuesta Orgánica

El órgano es la agrupación de diferentes tejidos que coexisten. En los órganos coexisten tejidos de organización jerárquica y tejidos de organización no jerárquica. Un órgano puede presentar reacciones agudas o crónicas según el tejido afectado. No todos los órganos responden igual a la irradiación, debido a que el órgano está formado por subunidades funcionales que pueden estar conectadas con las otras subunidades de dos formas:

• Órganos en serie: las unidades se conectan una detrás de otra. La muerte o inactivación de una de sus unidades es suficiente para causar la pérdida función al del órgano. El más típico es la medula espinal.
• Órganos en paralelo: las unidades son autosuficientes, el daño de una única unidad no implica el fallo orgánico, ya que el resto de unidades son capaces de mantener la función. Solo pierde la función el órgano cuando la cantidad de unidades dañadas supera el valor crítico.

La dosis de tolerancia se define como aquellas dosis que para un determinado órgano tienen una probabilidad de aparición de toxicidad en un período de tiempo.

Respuesta Sistemática

La respuesta del organismo a la radiación viene determinada por la respuesta de todos y cada uno de los órganos y sistemas. La radiosensibilidad de cada órgano es muy diferente, la respuesta viene determinada por el sistema u órgano más radiosensible.

Se dispone de un organismo con dos compartimentos, uno muy radiosensible y con un tiempo de vida media celular largo y otro menos radiosensible y con un tiempo de vida media corto. Al administrar una dosis alta de radiación, suficiente para producir daño en los dos compartimentos, el primer efecto que se observará será el derivado del compartimento menos sensible, ya que el tiempo de vida de sus células es menor.

En todos los mamíferos se observan dos etapas desde el punto de vista celular, la fase de desarrollo embrionario: los mamíferos crecen en el útero de la madre, donde a partir de dos células se forma el embrión, que en un inicio está formado por células muy radiosensibles, que a medida que avanza el período de gestación se va convirtiendo en más radioresistentes. Es más fácil que se produzca una irradiación corporal total durante el período fetal. Por ello, los síndromes de irradiación corporal total se dividen en dos fases: la fase fetal y la fase de individuo adulto.

Efectos de la Radiación Ionizante Durante el Desarrollo Embrionario

Según la ley de Bergonié-Tribondeau la respuesta de un tejido a la irradiación es mayor cuanto mayor es su indiferenciación y velocidad de proliferación de sus células. El período de mayor riesgo es el primer trimestre, durante el segundo es menor y muy bajo durante el tercero. El desarrollo embrionario se divide en tres fases:

• Fase de pre-implantación (0-10 días): la irradiación en esta fase suele provocar la muerte prenatal (aborto). En esta fase puede producirse el todo o nada, puede producirse la muerte o, si el déficit celular es muy bajo el organismo será capaz de recuperarse y llegar al final del período fetal sin problemas.
• Fase de organogénesis (10 días-6 semanas): el feto comienza su diferenciación, la irradiación podrá provocar el desarrollo de malformaciones y carcinogénesis. La gravedad de las malformaciones va en descenso según avanza la gestación. Otro efecto que puede ocurrir es la carcinogénesis, que es estocástico, sin dosis umbral y con aumento de su probabilidad con aumento de la dosis. Suelen desarrollarse tumores tipo leucemia.
• Desarrollo fetal (6 semanas-9 meses): el feto continúa su diferenciación y fundamentalmente crece. La irradiación provocará efectos de retraso de crecimiento y en ocasiones malformaciones, especialmente del sistema nervioso central. Este sistema es el que recibe más lesiones durante la fase fetal precoz (8-25 semanas).

Efectos de la Radiación Ionizante Sobre el Individuo Adulto

Se define síndrome al conjunto de signos y síntomas con personalidad clínica que se pueden observar en un paciente. Tras la irradiación, siempre se producirá una fase prodrómica en la que aparecen algunos signos y síntomas. Posteriormente, aparecerá un periodo de lactancia en el que finalmente aparece la fase de enfermedad manifiesta en la que se desarrollan todos los signos y síntomas típicos de la dosis recibida y en función de esta dosis podrán aparecer tres grandes síndromes:

• Síndrome de médula ósea:
  • El individuo ha recibido una dosis de unos 10 Gy. La muerte de los expuestos sobreviene de una afectación o destrucción de la médula ósea. Será posible el rescate si se dispone de un donante.
  • Etapa inicial o prodrómica: se inicia pocas horas después de la exposición.
  • Etapa latente: dura unas 3 semanas. Aparentemente el individuo está sano.
  • Etapa de la enfermedad manifiesta: se inicia hacia la segunda-tercera semana y depende de la dosis, y puede continuar hasta la quinta semana si el individuo no muere. Aparecen signos y síntomas derivados de la falta de glóbulos rojos, glóbulos blancos y plaquetas.
• Síndrome gastrointestinal:
  • Aparece para dosis entre 10 y 20 Gy y siempre conduce a la muerte por afectación o destrucción de las células de la mucosa gastrointestinal.
  • Etapa inicial: pocas horas después de la irradiación. Caracterizada por nauseas y vómitos.
  • Etapa latente: entre el segundo y quinto día postirradiación. Sin síntomas.
  • Etapa de enfermedad manifiesta: reaparición de las nauseas y vómitos, así como aparición de diarreas y fiebres. Provocan la ruptura de la barrera mucosa intestinal, llevando a infecciones y sepsis.
• Síndrome del sistema nervioso central:
  • Dosis elevadas (100-150 Gy). Conducirá siempre a la muerte en horas o pocos días. Causa de la muerte es desconocida.
  • Etapa inicial: confusión, nauseas, vómitos y desorientación.
  • Etapa latente: minutos-horas de duración.
  • Etapa de la enfermedad manifiesta: desorientación, pérdida de coordinación, disnea, convulsiones y coma.