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Radiobiología

La radiobiología (también conocida como biología de la radiación y, menos comúnmente, como actinobiología ) es un campo de las ciencias médicas clínicas y básicas que implica el...

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La radiobiología (también conocida como biología de la radiación y, menos comúnmente, como actinobiología ) es un campo de las ciencias médicas clínicas y básicas que implica el estudio de los efectos de la radiación en el tejido vivo [ 1 ] (incluida la radiación ionizante y no ionizante ), [ 2 ] [ 3 ] en particular los efectos de la radiación en la salud.

La radiación ionizante es generalmente dañina y potencialmente letal para los seres vivos, pero puede tener beneficios para la salud en la radioterapia para el tratamiento del cáncer y la tirotoxicosis . Su impacto más común es la inducción de cáncer con un período de latencia de años o décadas después de la exposición. Las dosis altas pueden causar quemaduras por radiación visualmente impactantes y/o la muerte rápida por síndrome de radiación aguda . Se utilizan dosis controladas para diagnóstico por imagen y radioterapia .

Efectos sobre la salud

En general, la radiación ionizante es dañina y potencialmente letal para los seres vivos, pero puede tener beneficios para la salud en la radioterapia para el tratamiento del cáncer y la tirotoxicosis .

La mayoría de los efectos adversos para la salud derivados de la exposición a la radiación pueden agruparse en dos categorías generales:

  • efectos deterministas (reacciones tisulares dañinas) debidos en gran parte a la muerte o mal funcionamiento de las células tras dosis elevadas; y
  • efectos estocásticos, es decir, cáncer y efectos hereditarios que implican el desarrollo de cáncer en individuos expuestos debido a la mutación de células somáticas o enfermedades hereditarias en su descendencia debido a la mutación de células reproductivas (germinales). [ 4 ]

Estocástico

Algunos efectos de la radiación ionizante en la salud humana son estocásticos , lo que significa que su probabilidad de ocurrencia aumenta con la dosis, mientras que la gravedad es independiente de la dosis. [ 5 ] El cáncer inducido por radiación , la teratogénesis , el deterioro cognitivo y las enfermedades cardíacas son todos efectos estocásticos inducidos por la radiación ionizante.

Su impacto más común es la inducción estocástica de cáncer con un período de latencia de años o décadas después de la exposición. El mecanismo por el cual esto ocurre se comprende bien, pero los modelos cuantitativos que predicen el nivel de riesgo siguen siendo controvertidos. El modelo más ampliamente aceptado postula que la incidencia de cánceres debidos a la radiación ionizante aumenta linealmente con la dosis efectiva de radiación a una tasa del 5,5 % por sievert . [ 6 ] Si este modelo lineal es correcto, entonces la radiación de fondo natural es la fuente de radiación más peligrosa para la salud pública en general, seguida de cerca por las imágenes médicas.

Los datos cuantitativos sobre los efectos de la radiación ionizante en la salud humana son relativamente limitados en comparación con otras afecciones médicas debido al bajo número de casos registrados hasta la fecha y a la naturaleza estocástica de algunos de estos efectos. Los efectos estocásticos solo pueden medirse mediante grandes estudios epidemiológicos donde se han recopilado datos suficientes para eliminar factores de confusión como el tabaquismo y otros factores del estilo de vida. La fuente más rica de datos de alta calidad proviene del estudio de los supervivientes de las bombas atómicas japonesas . Los experimentos in vitro y con animales son informativos, pero la radiorresistencia varía considerablemente entre especies.

Se estima que el riesgo adicional de desarrollar cáncer a lo largo de la vida debido a una sola tomografía computarizada abdominal de 8 mSv es del 0,05 %, o 1 de cada 2000. [ 7 ] 

Determinista

Los efectos deterministas son aquellos que ocurren de manera confiable por encima de una dosis umbral , y su gravedad aumenta con la dosis. [ 5 ]

Una dosis elevada de radiación produce efectos deterministas que ocurren de forma fiable por encima de un umbral, y su gravedad aumenta con la dosis. Los efectos deterministas no son necesariamente más ni menos graves que los efectos estocásticos; ambos pueden provocar, en última instancia, una molestia temporal o la muerte. Ejemplos de efectos deterministas son:

El Comité de Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos "ha concluido que no hay evidencia convincente que indique un umbral de dosis por debajo del cual el riesgo de inducción de tumores sea cero". [ 8 ]

Por tipo de radiación

Cuando se ingieren isótopos emisores de partículas alfa, resultan mucho más peligrosos de lo que sugieren su vida media o tasa de desintegración. Esto se debe a la alta eficacia biológica relativa de la radiación alfa para causar daño biológico una vez que los radioisótopos emisores de partículas alfa entran en las células vivas. Los radioisótopos emisores de partículas alfa ingeridos, como los transuránicos o los actínidos, son, en promedio, unas 20 veces más peligrosos, y en algunos experimentos hasta 1000 veces más peligrosos que una actividad equivalente de radioisótopos emisores de partículas beta o gamma. Si se desconoce el tipo de radiación, se puede determinar mediante mediciones diferenciales en presencia de campos eléctricos, campos magnéticos o con diferentes grados de blindaje.

Cantidades de dosis externas utilizadas en protección radiológica. Consulte el artículo sobre el sievert para obtener información sobre cómo se calculan y utilizan.

Durante el embarazo

El riesgo de desarrollar cáncer inducido por radiación en algún momento de la vida es mayor al exponer a un feto que a un adulto, tanto porque las células son más vulnerables durante su crecimiento como porque la esperanza de vida después de la dosis es mucho mayor para desarrollar cáncer. Una exposición excesiva a la radiación podría tener efectos nocivos en el feto o en sus órganos reproductores. [ 10 ] Las investigaciones muestran que realizar exploraciones más de una vez en nueve meses puede dañar al feto. [ 10 ]

Los posibles efectos deterministas de la exposición a la radiación durante el embarazo incluyen aborto espontáneo , defectos congénitos estructurales , restricción del crecimiento y discapacidad intelectual . [ 11 ] Los efectos deterministas se han estudiado, por ejemplo, en supervivientes de los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki y en casos en los que ha sido necesaria la radioterapia durante el embarazo:

Se ha estimado que el déficit intelectual es de aproximadamente 25 puntos de CI por cada 1000  mGy entre las 10 y las 17 semanas de edad gestacional. [ 11 ]

Estos efectos a veces son relevantes a la hora de decidir sobre las pruebas de diagnóstico por imagen durante el embarazo , ya que la radiografía de proyección y la tomografía computarizada exponen al feto a la radiación.

Además, el riesgo de que la madre desarrolle posteriormente cáncer de mama inducido por radiación parece ser particularmente alto para las dosis de radiación recibidas durante el embarazo. [ 12 ]

Medición

El cuerpo humano no puede detectar la radiación ionizante salvo en dosis muy elevadas, pero los efectos de la ionización pueden utilizarse para caracterizarla. Entre los parámetros de interés se incluyen la tasa de desintegración, el flujo de partículas, el tipo de partícula, la energía del haz, el kerma, la tasa de dosis y la dosis de radiación.

La monitorización y el cálculo de dosis para salvaguardar la salud humana se denomina dosimetría y se lleva a cabo dentro de la física de la salud . Las principales herramientas de medición son el uso de dosímetros para determinar la dosis efectiva externa absorbida y el uso de bioensayos para la dosis ingerida. El artículo sobre el sievert resume las recomendaciones de la ICRU y la ICRP sobre el uso de magnitudes de dosis e incluye una guía sobre los efectos de la radiación ionizante medidos en sieverts, además de proporcionar ejemplos de cifras aproximadas de absorción de dosis en determinadas situaciones.

La dosis comprometida es una medida del riesgo estocástico para la salud debido a la ingesta de material radiactivo en el cuerpo humano. La ICRP afirma: «Para la exposición interna, las dosis efectivas comprometidas se determinan generalmente a partir de una evaluación de la ingesta de radionúclidos mediante mediciones de bioensayo u otras cantidades. La dosis de radiación se determina a partir de la ingesta utilizando coeficientes de dosis recomendados». [ 13 ]

Dosis absorbida, equivalente y efectiva

La dosis absorbida es una magnitud de dosis física D que representa la energía media impartida a la materia por unidad de masa por la radiación ionizante . En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad de medida es julios por kilogramo, y su nombre especial es gray (Gy). [ 14 ] La unidad CGS no perteneciente al SI , rad, también se utiliza a veces, principalmente en los EE. UU.

Para representar el riesgo estocástico, se utilizan la dosis equivalente H T y la dosis efectiva E , y se emplean factores y coeficientes de dosis apropiados para calcularlas a partir de la dosis absorbida. [ 15 ] Las cantidades de dosis equivalente y efectiva se expresan en unidades de sievert o rem , lo que implica que se han tenido en cuenta los efectos biológicos. Estas suelen estar de acuerdo con las recomendaciones del Comité Internacional de Protección Radiológica (ICRP) y la Comisión Internacional de Unidades y Medidas de Radiación (ICRU). El sistema coherente de cantidades de protección radiológica desarrollado por ellos se muestra en el diagrama adjunto.

Organizaciones

La Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) gestiona el Sistema Internacional de Protección Radiológica, que establece límites recomendados para la dosis recibida. Los valores de dosis pueden representar la dosis absorbida, equivalente, efectiva o comprometida.

Otras organizaciones importantes que estudian el tema incluyen:

Vías de exposición

Externo

Diagrama esquemático que muestra un rectángulo siendo irradiado por una fuente externa (en rojo) de radiación (mostrada en amarillo).
Diagrama esquemático que muestra un rectángulo siendo irradiado por contaminación radiactiva (mostrada en rojo) presente en una superficie externa como la piel; esta emite radiación (mostrada en amarillo), que puede entrar en el cuerpo del animal.

La exposición externa es aquella que se produce cuando la fuente radiactiva (u otra fuente de radiación) se encuentra fuera (y permanece fuera) del organismo expuesto. Algunos ejemplos de exposición externa son:

  • Una persona que coloca una fuente radiactiva sellada en su bolsillo.
  • Un viajero espacial que es irradiado por rayos cósmicos.
  • Una persona que recibe tratamiento contra el cáncer mediante teleterapia o braquiterapia . Si bien en la braquiterapia la fuente está dentro de la persona, todavía se considera una exposición externa porque no resulta en una dosis comprometida .
  • Un trabajador nuclear cuyas manos se han ensuciado con polvo radiactivo. Suponiendo que sus manos se limpien antes de que cualquier material radiactivo pueda ser absorbido, inhalado o ingerido, la contaminación de la piel se considera una exposición externa.

La exposición externa es relativamente fácil de estimar, y el organismo irradiado no se vuelve radiactivo, excepto en el caso de que la radiación sea un haz de neutrones intenso que cause activación .

Según el tipo de imagen médica

Interno

La exposición interna se produce cuando el material radiactivo ingresa al organismo y los átomos radiactivos se incorporan a él. Esto puede ocurrir por inhalación, ingestión o inyección. A continuación, se presentan algunos ejemplos de exposición interna.

  • La exposición causada por el potasio-40 presente en una persona normal .
  • La exposición a la ingestión de una sustancia radiactiva soluble, como el 89Sr en la leche de vaca .
  • Una persona que está siendo tratada por cáncer mediante un radiofármaco en el que se utiliza un radioisótopo como medicamento (generalmente un líquido o una pastilla). Una revisión de este tema se publicó en 1999. [ 19 ] Debido a que el material radiactivo se mezcla íntimamente con el objeto afectado, a menudo es difícil descontaminar el objeto o la persona en caso de que se produzca una exposición interna. Si bien algunos materiales muy insolubles, como los productos de fisión dentro de una matriz de dióxido de uranio, podrían no llegar a formar parte de un organismo, es normal considerar dichas partículas en los pulmones y el tracto digestivo como una forma de contaminación interna que resulta en exposición interna.
  • La terapia de captura de neutrones de boro (BNCT) consiste en inyectar una sustancia química marcada con boro-10 que se une preferentemente a las células tumorales. Los neutrones de un reactor nuclear se modulan mediante un moderador de neutrones para obtener el espectro de energía neutrónica adecuado para el tratamiento con BNCT. El tumor es bombardeado selectivamente con estos neutrones. Los neutrones se desaceleran rápidamente en el cuerpo hasta convertirse en neutrones térmicos de baja energía . Estos neutrones térmicos son capturados por el boro-10 inyectado, formando boro-11 excitado, que se descompone en litio-7 y una partícula alfa de helio-4. Ambos producen radiación ionizante muy próxima entre sí. Este concepto se describe como un sistema binario que utiliza dos componentes separados para el tratamiento del cáncer. Cada componente por sí solo es relativamente inocuo para las células, pero cuando se combinan para el tratamiento producen un efecto altamente citocida ( citotóxico ) que es letal (dentro de un rango limitado de 5 a 9 micrómetros o aproximadamente el diámetro de una célula). Actualmente se están llevando a cabo ensayos clínicos, con resultados prometedores, en Finlandia y Japón.

Cuando los compuestos radiactivos ingresan al cuerpo humano, los efectos son diferentes a los que resultan de la exposición a una fuente de radiación externa. Especialmente en el caso de la radiación alfa, que normalmente no penetra la piel, la exposición puede ser mucho más dañina después de la ingestión o inhalación. La exposición a la radiación se expresa normalmente como una dosis comprometida .

Historia

Aunque la radiación se descubrió a finales del siglo XIX, los peligros de la radiactividad y la radiación no se reconocieron de inmediato. Los efectos agudos de la radiación se observaron por primera vez con el uso de rayos X cuando el físico alemán Wilhelm Röntgen expuso intencionadamente sus dedos a rayos X en 1895. Publicó sus observaciones sobre las quemaduras que se produjeron, aunque las atribuyó erróneamente al ozono, un radical libre producido en el aire por los rayos X. Actualmente se sabe que otros radicales libres producidos en el cuerpo son más importantes. Sus lesiones sanaron posteriormente.

Como campo de las ciencias médicas, la radiobiología se originó a partir de la demostración de Leopold Freund en 1896 sobre el tratamiento terapéutico de un lunar peludo utilizando la forma recién descubierta de radiación electromagnética llamada rayos X. Después de irradiar ranas e insectos con rayos X a principios de 1896, Ivan Romanovich Tarkhanov concluyó que estos rayos recién descubiertos no solo fotografían, sino que también "afectan la función de los seres vivos". [ 20 ] Al mismo tiempo, Pierre y Marie Curie descubrieron el polonio y el radio radiactivos que más tarde se usarían para tratar el cáncer .

Los efectos genéticos de la radiación, incluidos sus efectos sobre el riesgo de cáncer, se reconocieron mucho más tarde. En 1927, Hermann Joseph Muller publicó una investigación que demostraba los efectos genéticos, y en 1946 fue galardonado con el Premio Nobel por sus hallazgos.

En términos más generales, en la década de 1930 se realizaron intentos por desarrollar un modelo general para la radiobiología. Cabe destacar a Douglas Lea , [ 21 ] [ 22 ] cuya presentación incluyó además una revisión exhaustiva de unas 400 publicaciones de apoyo. [ 23 ] [ 24 ]

Antes de que se conocieran los efectos biológicos de la radiación, muchos médicos y empresas comenzaron a comercializar sustancias radiactivas como medicinas patentadas y pseudociencia radiactiva . Algunos ejemplos eran los tratamientos con enemas de radio y las aguas con radio para beber como tónicos. Marie Curie se pronunció en contra de este tipo de tratamientos, advirtiendo que los efectos de la radiación en el cuerpo humano no se comprendían bien. Curie murió posteriormente de anemia aplásica causada por envenenamiento por radiación. Eben Byers , un famoso miembro de la alta sociedad estadounidense, murió de varios tipos de cáncer (pero no del síndrome de radiación aguda) en 1932 tras consumir grandes cantidades de radio durante varios años; su muerte atrajo la atención pública sobre los peligros de la radiación. En la década de 1930, tras varios casos de necrosis ósea y muerte entre entusiastas, los productos médicos que contenían radio prácticamente desaparecieron del mercado.

En Estados Unidos, la experiencia de las llamadas Chicas del Radio , donde miles de pintoras de esferas de radio contrajeron cáncer oral [ 25 ] —pero ningún caso de síndrome de radiación aguda [ 26 ] — popularizó las advertencias sobre salud ocupacional asociadas con los riesgos de la radiación. Robley D. Evans , del MIT , desarrolló el primer estándar para la carga corporal permisible de radio , un paso clave en el establecimiento de la medicina nuclear como campo de estudio. Con el desarrollo de reactores nucleares y armas nucleares en la década de 1940, se prestó mayor atención científica al estudio de todo tipo de efectos de la radiación.

Los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki provocaron un gran número de casos de envenenamiento por radiación, lo que permitió comprender mejor sus síntomas y peligros. El Dr. Terufumi Sasaki, cirujano del Hospital de la Cruz Roja, dirigió una intensa investigación sobre el síndrome durante las semanas y meses posteriores a los bombardeos de Hiroshima. Sasaki y su equipo pudieron monitorizar los efectos de la radiación en pacientes situados a diferentes distancias de la explosión, lo que permitió establecer tres etapas documentadas del síndrome. Entre los 25 y 30 días posteriores a la explosión, el cirujano de la Cruz Roja observó una marcada disminución en el recuento de glóbulos blancos y estableció esta disminución, junto con síntomas de fiebre, como indicadores pronósticos del síndrome de irradiación aguda. [ 27 ] La actriz Midori Naka , presente durante el bombardeo atómico de Hiroshima, fue el primer caso de envenenamiento por radiación estudiado exhaustivamente. Su muerte, el 24 de agosto de 1945, fue la primera muerte certificada oficialmente como consecuencia del envenenamiento por radiación (o «enfermedad de la bomba atómica»).

La Comisión de Víctimas de la Bomba Atómica y la Fundación para la Investigación de los Efectos de la Radiación han estado monitoreando el estado de salud de los sobrevivientes y sus descendientes desde 1946. Han descubierto que la exposición a la radiación aumenta el riesgo de cáncer, pero también que la esperanza de vida promedio de los sobrevivientes se redujo solo en unos pocos meses en comparación con quienes no estuvieron expuestos a la radiación. Hasta el momento, no se han detectado efectos en la salud de ningún tipo en los hijos de los sobrevivientes. [ 28 ]

Áreas de interés

Las interacciones entre los organismos y los campos electromagnéticos (CEM) y la radiación ionizante pueden estudiarse de diversas maneras:

Fuentes de radiación para radiobiología experimental

Los experimentos de radiobiología suelen utilizar una fuente de radiación que podría ser:

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Radiobiología e imagen molecular" . Instituto Curie . Consultado el 10 de marzo de 2025 .
  2. ↑ "Aprenda sobre la Revista Internacional de Biología de la Radiación" . Taylor & Francis . Consultado el 10 de marzo de 2025 .
  3. ↑ Justesen, Don R. (1 de enero de 1975). "Hacia una gramática prescriptiva para la radiobiología de las radiaciones no ionizantes: cantidades, definiciones y unidades de energía electromagnética absorbida —un ensayo*" . Journal of Microwave Power . 10 (4): 343– 356. Bibcode : 1975JMPow..10..343J . doi : 10.1080/00222739.1975.11688971 . ISSN 0022-2739 . PMID 1044340 .  
  4. ↑ ICRP 2007 , pág. 49, párrafo 55.
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  6. ↑ ICRP 2007 , pág. 55, párrafo 83.
  7. ↑ "¿Las tomografías computarizadas causan cáncer?" . Harvard Health Publishing . Universidad de Harvard. Marzo de 2013 . Consultado el 15 de julio de 2020 . Nota: El primer párrafo se proporciona gratuitamente.
  8. ↑ Consejo Nacional de Investigación (2006). Riesgos para la salud derivados de la exposición a bajos niveles de radiación ionizante: BEIR VII Fase 2. Academia Nacional de Ciencias. pág. 10. doi : 10.17226/11340 . ISBN  978-0-309-09156-5. Consultado el 11 de noviembre de 2013 .
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  13. ↑ ICRP 2007 , pág. 73, párrafo 144.
  14. ↑ ICRP 2007 , pág. 24, glosario.
  15. ↑ ICRP 2007 , págs. 61–62, párrafos 104 y 105.
  16. 1 2 Salvo que se indique lo contrario en los recuadros, la referencia es:- "Dosis de radiación en exámenes de rayos X y TC" . RadiologyInfo.org por la Sociedad Radiológica de América del Norte . Consultado el 23 de octubre de 2017 .
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Fuentes

  • ICRP, 2007. Recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica . Publicación 103 de la ICRP. Ann. ICRP 37 (2-4).

Lecturas adicionales

  • Libro de texto de radiobiología
  • G. Gordon Steel, "Radiobiología clínica básica". 2002. Hodder Arnold.
  • El Instituto de Biología de la Radiación del Centro Helmholtz para la Salud Ambiental
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