RADIOBIOLOGIA Estudio de los efectos de las radiaciones ionizantes en tejidos biológicos
RADIACION IONIZANTE DIRECTA Electrones, protones, iones pesados, par>culas alfa y beta INDIRECTA Fotones (rayos X, rayos Gamma) y neutrones
LET Energía media (de) imparhda por los eventos de excitación e ionización causados por una parhcula cargada atravesando una determinada distancia LET = de/dl (kev/micra)
MAGNITUDES GRAY : Unidad Ssica de radiación Unidad de dosis absorbida (1Gy=1Jul/Kg) (Rad: ergio/gramo - 100rad=1Gy) Produce 1-2 x 10 5 eventos ionizantes/célula 1% en ADN Un único rayo de Co60 depositará alrededor de 1mGy en una célula
Otras unidades Dosis equivalente: dosis al órgano corregida por un factor de ponderación del Hpo de radiación que Hene en cuenta la eficacia biológica relahva de la radiación incidente para producir efectos estocáshcos. Este factor de corrección es numéricamente 1 para rayos X. Se mide en Sievert (Sv) Dosis efecava: suma ponderada de las dosis equivalentes de todos los órganos y tejidos. Se mide en Sievert (Sv)
RELATIVE BIOLOGICAL EFFECTIVENESS
RADIACION Secuencia de eventos
EFECTOS DE LA RADIACION Directa: daño directo al ADN! Indirecta: por ionización del agua u otros átomos y moléculas que producen radicales libres que actúan como intermediarios para causar daño al ADN
REACTIVE OXYGEN SPECIES (ROS) Dado que el mayor componente de las células es el agua, el evento de ionización más frecuente es la radiolisis del agua, produciendo ROS El agua más relevante es la que está localizada dentro de un radio de 2nm del ADN El efecto neto de los ROS es la oxidación de los conshtuyentes celulares Alrededor del 60% del daño al ADN causado por Rayos X es debido a ROS Alrededor del 75% es debido a radicales hidroxilo (OH.)
Prx: peroxiredoxina
OXIGENO Se une a radicales H para formar PEROXIDO DE HIDROGENO H. + O 2 HO. 2 (+HO. 2 ) H 2 O 2 (+O 2 ) Se une a electrónes para dar SUPEROXIDO e - + O 2 O - 2 + (H 2 O) HO. 2 + OH - Se une a radicales orgánicos para formar PEROXIDOS R. + O 2 RO 2. + R H RO 2. + R. RO 2. (radical peroxido) ROOH + R (hidroperoxido) ROOR (peroxido) El oxígeno fija las lesiones que los radicales libres en el ADN de forma que no puedan ser facilmente reparadas (potente radiosensibilizante)
Oxygen Enhancement RaAo (OER)
DNA As RadiaAon Target MulHple lines of evidence point to DNA damage being criacal component in cell death Micro- irradiahon studies show that to kill a cell requires much higher dose if cytoplasm only is irradiated vs. if nucleus is irradiated Isotopes with short- range emission (e.g I- 125) produce efficient killing when incorporated directly into DNA Incidence of single strand DNA breaks doesn't result in cell kill, while incidence of double strand breaks and chromosome abnormalihes is associated closely with cell kill Thymidine analogues (IUdR, BrUdR) modify radiosensihvity when incorporated into chromahn However, there is some evidence that radiahon damage to cell membranes may also be important, possibly triggering apoptosis Finally, there is also evidence for 'bystander effect', where for every micro- targeted cell damaged by RT, neighboring 80-100 would also die and/or show evidence of damage
DNA- PROTEIN CROSSLINK 1 / CELL / GRAY INTRASTRAND CROSSLINK 0.5 / CELL / GRAY SINGLE STRAND BREAK 1000 / CELL / GRAY! BASE CHANGE (eg C - U) BASE LOSS BASE MODIFICATION (eg thymine/cytosine glycol) 1000 / CELL / GRAY DOUBLE STRAND BREAK 30/ CELL / GRAY
DNA As RadiaAon Target El depósito de energía no es uniforme. Sigue dos patrones: "Spur": diameter de ~4 nm (2x DNA diameter), 100 ev energy deposited, ~3 ion pairs. X- rays deposit 95% of their energy via spurs "Blob": diameter of ~7 nm, 100-500 ev energy deposited, ~12 ion pairs. Neutrons and alpha parhcles deposit much of their energy via blobs. Due to higher number of ion pairs generated, DNA damage can be much more severe than in spurs Damage from spur and blob energy deposihons can lead to mulhple close sites of DNA damage, termed locally mul/ply damaged site (MDS)
DNA As RadiaAon Target! Eliminación de radicales libres (scavengers) Número de ionizaciones próximas al ADN (LET) EfecHvidad en la reparación del ADN
Frecuencia de daño al ADN con fotones! D 0 : dosis que produce de media un evento letal por célula EstadísHcamente aproximadamente el 37% de las células de una población expuesta a una dosis de radiación D 0 sobrevivirá (SF), mientras que el resto acumulará uno o múlhples eventos letales Para la mayoría de células de mamíferos D 0 para fotones está entre 1-2Gy
Reparable sublethal damage Base damage and single strand breaks Typically efficiently repaired. However, if incorrectly repaired, may lead to alterahon in DNA base sequence and thus to mutahons Frequency of mutahons usually increases in dose- dependent manner, but at higher doses, lethal events begin to predominate and frequency of surviving mutahons decreases At high dose, intertrack repairable Sublethal Damage may Accumulate forming unrepairable, lethal MDS, also Known as β- type killing
Lethal damage Double strand breaks Simple DSB: defined as the occurrence of two single- strand breaks (SSBs) within approximately 6-10 base pairs caused by a single radiahon track. Complex DSB: In addihon characterized by a presence of other DNA damage sites (oxidahve base lesions, abasic (AP) sites, single strand breaks) in close proximity to the break termini. Occur in ~30% of low LET induced DSBs It is postulated that complex DSBs may similarly be responsible for majority of cell kill resulang from low LET radiaaon, aver simple DSBs are repaired. A high degree of associated base damage in complex DSBs may be a factor in poor repair via the non- homologous end- joining pathway (NHEJ) α- type killing
CROMATINA Cada célula 2m de ADN La estructura básica es el nucleosoma, que son 146 pares de base de ADN envueltos alrededor de 2 copias de histonas H2A, H2B, H3, y H4 Los nucleosomas se evuelven a su vez alrededor de otras proteinas para formar la cromaana compacta La cromahna está máximamente compactada durante la mitosis y es 2,8 veces más sensible a las roturas de ADN que en la interfase La trascripción requiere decompactación para facihlar la iniciación y elongación (acehlación y desacehlación de histonas)
Respuesta Asular 700R! 1500R! Used the macrocolony assay in mouse jejunum to assessed the effects of 2 radiahon doses given varying Hmes apart to measure the Hme to and extent of repair, redistribuhon, and repopulahon (regenerahon) between dose frachons. 12.5Gy! 15.5Gy! 14.0Gy! 17.0Gy! Withers, H. R. and Elkind, M. M. Radiology 91:998, 1968!
TEJIDOS DE RESPUESTA AGUDA IntesHno Piel Médula ósea Mucosas!! TEJIDOS DE RESPUESTA TARDIA Cerebro Médula espinal Riñones Pulmón Vejiga Respuesta Asular
Las 5 R s de la Radioterapia Reparación del daño subletal Redistribución de las células en el ciclo celular Repoblación/regeneración Reoxigenación Radiosensibilidad específica
EFICACIA BIOLOGICA DE LA RADIOTERAPIA Dosis total (D) - (alpha and beta) Dosis por fracción (d) - (alpha and beta) Duración (T)- (alpha and beta) Tiempo entre fracciones (t) Volumen irradiado (V) Calidad de la radiación (Q) - RBE Presencia/Ausencia de oxígeno - OER Eficiencia y complehtud de la reparación del ADN Fase del ciclo celular y nivel de achvación génica Tipo de tejido/tumor
REPARACION DEL ADN Base excision repair NucleoHde excision repair DNA mismatch repair Double strand break repair
REPARACION DEL ADN 130 genes parhcipan en reparación del ADN Procesos principales en la reparación Nucleasas: eliminan el ADN dañado Polimerasas: reconstruyen el ADN Ligasas: restauran el esqueleto fosfodiester
RECOMBINACION HOMOLOGA! a, La DSB es reconocida por el complejo MRN (complejo de proteinas reparadoras Mre11, RAD50 y NBS1)! b, Los finales del ADN se cortan permihendo su unión a RPA, RAD51 y RAD52 a las colas del ADN! c, Busqueda de región homóloga en el ADN intacto iniciando el emparejamiento facilitado por RAD54! d, Sintesis de ADN y formación de una Holliday junaon (unión cruzada que ocurre entre las cuatro cadenas de AND durante la recombinación)! 6. Esta unión posteriormente se libera por una resolvasa y las terminaciones del ADN se reunen y manhene intacto
RECOMBINACION NO HOMOLOGA (NHEJ)! a, La DSB es reconocida por el dimero ku (Ku70 Ku80) y la DNA- PKcs b, Se unen las dos terminaciones de ADN c, DNA- PKcs y Artemis se fosforilan y las terminaciones de ADN son procesadas por un complejo consistente en XLF (XRCC4- like complex; también conocido como NHEJ1), XRCC4 (X- ray- repair cross- complemenhng protein 4) y DNA ligase IV, y Artemis. d, Las terminaciones del ADN son ligadas por DNA ligasa IV y disocia los factores reparadores
Enfermedades autosómicas recesivas con defectos en la reparación del ADN Xeroderma pigmentosum (XP) and related Cockayne s syndrome Fanconi s anemia Bloom s and Werner s syndromes Li Fraumeni syndrome Ataxia telangiectasia Nijmegen- breakage syndrome
Muerte celular radiobiológica Pérdida de su integridad reproduchva catastrofe mitóaca: muerte celular resultante de mitosis aberrantes en celulas con puntos de control defectuosos senescencia: rehrada de células peligrosas del pool proliferahvo apoptosis: muerte celular programada necrosis: muerte celular patológica
Senescencia en fibroblastos FIBROSIS
Mecanismos de muerte celular Muerte programado Hpo 1: Apoptosis Muerte programada Hpo 2: Autofagia Muerte patológica: Necrosis
AUTOFAGIA! Las organelas y otros componentes celulares son secuestrados en autofagosomas que se fusionan con liposomas (autodigeshon)
NECROSIS! Es un proceso rápido no fisiológico asociado con la pérdida de integridad de la membrana plasmátca y disregulación de la homeostasis de iones Se procude la inflamación y explosión de la células al entrar agua Suele afectar a grupos de células más que a células aisladas!
APOPTOSIS! La célula y el núcleo se encoge Fragmentación nuclear: cuerpos apoptóhcos Membrana bullosa pero sin pérdida de integridad Falta de respuesta inflamatoria y fagocitosis (muerte silenciosa)!
Exposición accidental a la radiación Industria nuclear: Tokaimura; Chernobyl Pérdida de material radiachvo Bomba atómica (Hiroshima y Nagasaki)
Síndrome de irradiación aguda Síndrome hematológico Síndrome gastrointeshnal Síndrome neurológico Eritema- descamación Daño citogenéhco (alteraciones cromosómicas) Daño genéhco (células germinales)
Efectos clínicos de la radiación ionizante Efectos no estocásacos (o no probabilísacos). Son los efectos que se relacionan con la dosis de forma determinista, es decir, si se ha depositado una dosis equivalente suficientemente alta, aparecerán cierto Hpo de efectos. Por ejemplo, si una dosis de rayos X excede de 1Gy, se observará un enrojecimiento de la piel, tras cierto nivel de dosis se producen cataratas en los ojos, etc. Efectos estocásacos (probabilísacos) Son efectos que pueden aparecer, pero no lo hacen necesariamente. Lo más que se puede decir es que existe una cierta probabilidad de que estos efectos se produzcan. Los ejemplos más conocidos son el desarrollo de cáncer y las mutaciones genéhcas.
Efectos clínicos de la radiación ionizante Efectos somáacos Cualquier tejido Agudos (0-2 meses) y tardíos (2 meses- 20 años) Variabilidad individual, especie, celular, Hsular, extensión de la exposición, dosis y tasa de dosis
Efectos determiníshcos These effects are observed aver large absorbed doses of radiahon. Doses required to produce determinishc effects are, in most cases, in excess of 1-2 Gy. There is usually a threshold dose below which the effects are not manifested. With increasing dose the severity of the effect increases.
Efectos determiníshcos Piel. Eritema 1.65-3.5 Gy. Pelo. Depilación 2.0-6.0 Gy Esterilidad. Hombre 4.0 Gy; Mujer 6.25 Gy Cataratas: 2-5Gy (10 Gy protraido)
Efectos de la irradiación fetal Muerte prenatal, muerte neonatal, malformaciones congénitas y retraso de crecimiento y desarrollo La mayor incidencia de malformaciones si la irradiación es durante organogénesis (3-8 semanas) Umbral para malformaciones 100-200mGy Umbral para daño cerebral 200mGy
Efectos tardíos (estocásacos) de la exposición a radiación Carcinogénesis (leucemia, pulmón, mama, Hroides, hueso) y efectos genéhcos La probabilidad del efecto, no su severidad, aumenta con la dosis y no hay umbral Es el riesgo para la salud más importante de las dosis bajas de radiación
Efectos estocásacos RadiaHon Effects Research FundaHons (RERF) Life spam study 90000 (toda la población expuesta) Adult health study 20000 (altas dosis) F1 study 70000 niños de padres expuestos In- Utero study: niños nacidos entre sep 1945 a Mayo 1946
Efectos estocásacos 440 cancer deaths (4%) and nearly 100 leukaemia deaths (15%) can be a~ributed to the radiahon exposure from the bomb in 1945 Stomach, colon, lung, leukaemia, breast, oesophagus, bladder, ovary, liver The life- Hme risk of dying from radiahon induced cancer aver an acute exposure to 1 Gy (or 1 Sv) is 10%. If the dose is given over a period of weeks or months the risk factor is 5%, and if spread over a working life it is 4%
Efectos estocásacos Trabajadores centrales nucleares Personas expuestas por enfermedad (Tbc, espondilihs anquilosante, mashhs, cáncer) Personas expuestas a alta radiación natural (mineros, personas en casa) Personas próximas a experimentación armas nucleares y accidentes (Islas Marshall, Chernobyl)
Efectos estocásacos It is important to appreciate that in the U.S., almost 20 percent of deaths are a~ributable to cancer (400,000 annually) and a very small frachon of this total number is due to radiahon exposure A stahshcally significant increase in cancer has not been detected in populahons exposed to doses less than 50 msv.
EsAmación del riesgo The Biological Effects of Ionizing RadiaHons (BEIR) Commi~ee of the U.S. NaHonal Research Council InternaHonal Commission on Radiological ProtecHon (ICRP) NaHonal Council on RadiaHon ProtecHon and Measurements (NCRP) United NaHons ScienHfic Commi~ee on the Effects of Atomic RadiaHon (UNSCEAR).
EsAmación del riesgo RadiaHon induced tumors are clinically, morphologically and biochemically indishnguishable from those which occur spontaneously. This implies that carcinogenic effects of radiahon may be demonstrated on stahshcal basis only; that is, one may infer such achon by the demonstrahon of an excess in the number of cancers in the irradiated populahon over the natural incidence. Alternately, the probability of the cancer incidence from a small dose is eshmated by extrapolahng from cancer rates observed following exposure to large doses. Risk vs benefit
Carcinogénesis por radiación Modelo culhvo Hsular Modelo animal Modelo humano