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Articulo de referencia

Eficacia biológica relativa

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En radiobiología , la eficacia biológica relativa (a menudo abreviada como EBR ) es la relación entre la eficacia biológica de un tipo de radiación ionizante y la de otro, dada la misma cantidad de energía absorbida . La EBR es un valor empírico que varía según el tipo de radiación ionizante, las energías involucradas, los efectos biológicos considerados, como la muerte celular, y la tensión de oxígeno de los tejidos o el llamado efecto oxígeno .

Solicitud

La dosis absorbida puede ser un indicador deficiente del efecto biológico de la radiación, ya que este efecto puede depender de muchos otros factores, incluyendo el tipo de radiación, la energía y el tipo de tejido. La eficacia biológica relativa puede ayudar a proporcionar una mejor medida del efecto biológico de la radiación. La eficacia biológica relativa para la radiación de tipo R en un tejido se define como la relación

RBmi=DincógnitaDR{\displaystyle RBE={\frac {D_{X}}{D_{R}}}}

donde D X es una dosis de referencia absorbida de radiación de un tipo estándar X , y D R es la dosis absorbida de radiación de tipo R que causa la misma cantidad de daño biológico. Ambas dosis se cuantifican mediante la cantidad de energía absorbida por las células.

Los distintos tipos de radiación tienen diferente eficacia biológica, principalmente porque transfieren su energía a los tejidos de diferentes maneras. Los fotones y las partículas beta tienen un coeficiente de transferencia lineal de energía (LET) bajo, lo que significa que ionizan átomos en el tejido que están separados por varios cientos de nanómetros (varias décimas de micrómetro ) a lo largo de su trayectoria. En contraste, las partículas alfa y los neutrones, mucho más masivos, dejan una estela más densa de átomos ionizados a su paso, espaciados aproximadamente una décima de nanómetro (es decir, menos de una milésima parte de la distancia típica entre ionizaciones para fotones y partículas beta).

Los RBE se pueden utilizar para riesgos de cáncer/hereditarios ( estocásticos ) o para efectos de reacciones tisulares dañinas ( deterministas ). Los tejidos tienen diferentes RBE según el tipo de efecto. Para la radiación de alta LET (es decir, alfas y neutrones), los RBE para los efectos deterministas tienden a ser menores que los de los efectos estocásticos. [ 1 ]

El concepto de EBR (Eficacia Basada en la Radiación) es relevante en medicina, como en radiología y radioterapia , y para la evaluación de los riesgos y las consecuencias de la contaminación radiactiva en diversos contextos, como el funcionamiento de centrales nucleares , la eliminación y el reprocesamiento de combustible nuclear , las armas nucleares , la minería de uranio y la seguridad frente a la radiación ionizante .

Relación con los factores de ponderación de la radiación (W R )

Cantidades de dosis de protección de la ICRP en unidades del SI

Para calcular la dosis equivalente a un órgano o tejido, la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) ha definido un conjunto estándar de factores de ponderación de la radiación (W R ), anteriormente denominado factor de calidad ( Q ) . [ 1 ] [ 2 ] Los factores de ponderación de la radiación convierten la dosis absorbida (medida en unidades SI de grays o rads no SI ) en dosis biológica equivalente formal para la exposición a la radiación (medida en unidades de sieverts o rem ). Sin embargo, la ICRP afirma: [ 1 ]

Las cantidades dosis equivalente y dosis efectiva no deben utilizarse para cuantificar dosis de radiación más elevadas ni para tomar decisiones sobre la necesidad de ningún tratamiento relacionado con reacciones tisulares [es decir, efectos deterministas]. Para tales fines, las dosis deben evaluarse en términos de dosis absorbida (en gray, Gy), y cuando se trate de radiaciones de alta LET (por ejemplo, neutrones o partículas alfa), debe utilizarse una dosis absorbida ponderada con una RBE apropiada.

Los factores de ponderación de la radiación se basan principalmente en la eficacia biológica relativa (EBR) de la radiación para riesgos estocásticos para la salud . Sin embargo, para simplificar, estos factores no dependen del tipo de tejido y sus valores se eligen de forma conservadora para que sean mayores que la mayoría de los valores experimentales observados para los tipos de células más sensibles, con respecto a fuentes externas (ajenas a la célula). No se han desarrollado factores de ponderación de la radiación para fuentes internas de iones pesados, como un núcleo de retroceso.

A continuación se muestran los valores estándar de la ICRP 2007 para la eficacia relativa. Cuanto mayor sea el factor de ponderación de la radiación para un tipo de radiación, más dañina será, y esto se incorpora al cálculo para convertir de unidades gray a sievert.

El factor de ponderación de la radiación para los neutrones se ha revisado a lo largo del tiempo y sigue siendo objeto de controversia.

Los factores de ponderación de la radiación, que relacionan la energía física con el efecto biológico, no deben confundirse con los factores de ponderación tisular . Estos últimos se utilizan para convertir una dosis equivalente en un tejido determinado del cuerpo en una dosis efectiva , un valor que proporciona una estimación del peligro total para el organismo en su conjunto, como resultado de la dosis de radiación recibida en una parte del cuerpo.

Métodos experimentales

Datos para la línea celular CHO-K1 irradiada por fotones (curva azul) y por iones de carbono (curva roja). La RBE viene dada porDincógnitaDi{\displaystyle {\frac {D_{x}}{D_{i}}}}.

Normalmente, la evaluación de la eficacia biológica relativa se realiza en diversos tipos de células vivas cultivadas en un medio de cultivo , incluyendo células procariotas como bacterias , células eucariotas simples como plantas unicelulares y células eucariotas avanzadas derivadas de organismos como ratas . Al irradiar lotes de células con diferentes dosis y tipos de radiación, se puede encontrar una relación entre la dosis y la fracción de células que mueren, y luego usarla para encontrar las dosis que corresponden a una tasa de supervivencia común. La relación de estas dosis es la EBR de R. En lugar de la muerte, el punto final podría ser la fracción de células que se vuelven incapaces de experimentar la división mitótica (o, en el caso de las bacterias, la fisión binaria ), quedando así efectivamente esterilizadas, incluso si aún pueden realizar otras funciones celulares.

Los tipos R de radiación ionizante más considerados en la evaluación de la EBR son los rayos X y la radiación gamma (ambas compuestas de fotones ), la radiación alfa ( núcleos de helio-4 ), la radiación beta ( electrones y positrones ), la radiación de neutrones y los núcleos pesados , incluidos los fragmentos de fisión nuclear . Para algunos tipos de radiación, la EBR depende en gran medida de la energía de las partículas individuales.

Dependencia del tipo de tejido

Desde el principio se descubrió que los rayos X, los rayos gamma y la radiación beta eran esencialmente equivalentes para todos los tipos de células. Por lo tanto, el tipo de radiación estándar X es generalmente un haz de rayos X con fotones de 250 keV o rayos gamma de cobalto-60 . En consecuencia, la eficacia biológica relativa de la radiación beta y la radiación fotónica es esencialmente 1. 

Para otros tipos de radiación, la EBR no es una magnitud física bien definida, ya que varía ligeramente con el tipo de tejido y con el lugar preciso de absorción dentro de la célula. Así, por ejemplo, la EBR para la radiación alfa es de 2 a 3 cuando se mide en bacterias , de 4 a 6 para células eucariotas simples y de 6 a 8 para células eucariotas superiores. Según una fuente, puede ser mucho mayor (6500 con rayos X como referencia) en ovocitos. [ 3 ] La EBR de los neutrones es de 4 a 6 para bacterias, de 8 a 12 para células eucariotas simples y de 12 a 16 para células eucariotas superiores.

Dependencia de la ubicación de origen

En los primeros experimentos, las fuentes de radiación eran todas externas a las células irradiadas. Sin embargo, dado que las partículas alfa no pueden atravesar la capa más externa de la piel humana, solo pueden causar daños significativos si provienen de la desintegración de átomos dentro del cuerpo. Como el alcance de una partícula alfa suele ser aproximadamente el diámetro de una célula eucariota, la ubicación precisa del átomo emisor en las células del tejido cobra gran importancia.

Por esta razón, se ha sugerido que el impacto en la salud de la contaminación por emisores alfa podría haber sido sustancialmente subestimado. [ 4 ] Las mediciones de RBE con fuentes externas también descuidan la ionización causada por el retroceso del núcleo padre debido a la desintegración alfa. Si bien el retroceso del núcleo padre del átomo en desintegración generalmente lleva solo alrededor del 2% de la energía de la partícula alfa que es emitida por el átomo en desintegración, su alcance es extremadamente corto (alrededor de 2–3 angstroms), debido a su alta carga eléctrica y alta masa . El núcleo padre debe retroceder, al emitir una partícula alfa , con una energía cinética discreta debido a la conservación del momento . Por lo tanto, toda la energía de ionización del núcleo de retroceso se deposita en un volumen extremadamente pequeño cerca de su ubicación original, típicamente en el núcleo celular en los cromosomas, que tienen afinidad por los metales pesados. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] La mayoría de los estudios, utilizando fuentes externas a la célula, han arrojado RBE entre 10 y 20. [ 8 ] Dado que la mayor parte del daño por ionización del viaje de la partícula alfa se deposita en el citoplasma , mientras que el del viaje del núcleo de retroceso se deposita en el propio ADN, es probable que el daño causado sea mayor por el núcleo de retroceso que por la partícula alfa misma.

Historia

En 1931, Failla y Henshaw informaron sobre la determinación de la efectividad biológica relativa (EBR) de los rayos X y los rayos γ. Este parece ser el primer uso del término "EBR". Los autores señalaron que la EBR dependía del sistema experimental estudiado. Algo más tarde, Zirkle et al. (1952) indicaron que la efectividad biológica depende de la distribución espacial de la energía impartida y de la densidad de ionizaciones por unidad de longitud de trayectoria de las partículas ionizantes. Zirkle et al. acuñaron el término "transferencia lineal de energía (LET)" para ser utilizado en radiobiología para el poder de frenado, es decir, la pérdida de energía por unidad de longitud de trayectoria de una partícula cargada. El concepto se introdujo en la década de 1950, en un momento en que el despliegue de armas nucleares y reactores nucleares impulsó la investigación sobre los efectos biológicos de la radiactividad artificial. Se había observado que dichos efectos dependían tanto del tipo y el espectro de energía de la radiación como del tipo de tejido vivo. Los primeros experimentos sistemáticos para determinar la EBR se llevaron a cabo en esa década.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 «Las Recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica» . Anales de la ICRP . Publicación 103 de la ICRP. 37 ( 2–4 ). 2007. ISBN 978-0-7020-3048-2Consultado el 17 de mayo de 2012 .
  2. ↑ Sinclair DW (enero de 2003). «Eficacia biológica relativa (EBR), factor de calidad (Q) y factor de ponderación de la radiación (Wr)» . Anales de la ICRP . Publicación 92 de la ICRP. 33 (4). ISBN 978-0-08-044311-9.
  3. ↑ Nagasawa, H.; Little, JB (1992-11-15). "Inducción de intercambios de cromátidas hermanas por dosis extremadamente bajas de partículas alfa". Cancer Research . 52 (22): 6394– 6396. ISSN 0008-5472 . PMID 1423287 .  
  4. ↑ Winters TH, Di Franza JR (febrero de 1982). "Radiactividad en el tabaquismo". The New England Journal of Medicine . 306 (6): 364– 5. doi : 10.1056/NEJM198202113060613 . PMID 7054712 . 
  5. ↑ Zhu G, Zhang CY (diciembre de 2014). "Sensores funcionales basados ​​en ácidos nucleicos para ensayos de iones de metales pesados". The Analyst . 139 (24): 6326– 42. Bibcode : 2014Ana...139.6326Z . doi : 10.1039/C4AN01069H . PMID 25356810 . 
  6. ↑ Barton JK (1994). «Capítulo 8: Interacciones metal/ácido nucleico» (PDF) . En Bertini I, Gray HB, Lippard SJ, Valentine JS (eds.). Química bioinorgánica . Mill Valley, California: Univ. Science Books. págs. 455–503 . ISBN  0-935702-57-1.
  7. ↑ Kim SH, Shin WC, Warrant R (1985). "Interacción entre iones de metales pesados ​​y ácidos nucleicos" . Métodos de difracción para macromoléculas biológicas, parte A. Métodos en enzimología. Vol. 114. págs. 156-167 . doi : 10.1016/0076-6879(85)14016-4 . ISBN   978-0-12-182014-5. PMID 3853074 . 
  8. ↑ Chambers DB, Osborne RV, Garva AL (2006). "Elección de un factor de ponderación de radiación alfa para dosis a biota no humana". Journal of Environmental Radioactivity . 87 (1): 1– 14. doi : 10.1016/j.jenvrad.2005.10.009 . PMID 16377039 . 
  • Eficacia biológica relativa en la terapia con haces de iones