EFEITO DA RADIAÇÃO IONIZANTE EM CÉLULAS

PARTE I

Efeitos da radiação ionizante em células

1895 descoberta dos raios X e da radioatividade natural

W. K. Roentgen Henry Becquerel

aparecimento da radiodermite

1902 primeiro caso de câncer radioinduzido (câncer de pele)

1911 mais de 100 casos de câncer de pele

1927 H. J. Muller e Drosophila (radiogenética)

a radiação ionizante pode afetar o patrimônio genético

II Guerra Mundial avaliação mais detalhada

Radiobiologia ênfase maior nas últimas décadas

Melhor conhecimento da radiação numerosos benefícios

proteção contra os efeitos nocivos

RADIAÇÃO

RADIAÇÃO IONIZANTE

UNSCEAR: “não existe uma dose “segura” de exposição de radiação sob o ponto de vista genético, sendo que qualquer exposição à radiação pode envolver um certo risco de indução de efeitos hereditários e somáticos”

Radiações de baixas doses

importância radiobiológica

(<200 mSv, < 0,1mSv/min)

COMO A RADIAÇÃO IONIZANTE CAUSA SEUS EFEITOS?

E absorção de E da radiação

transferência de E da radiaçãoorganismos vivos

moléculas biológicasEFEITO BIOLÓGICO

E não há deposição de energia nenhum efeito

E deposição de energia célula danificada

E dano letal morte celular

E dano subletal danifica a célula sem causar morte

reparo célula normal

célula alterada

interação da radiaçãocom as células vivas

manifestações biológicas

eventos pouco conhecidos

Mecanismo Indireto exitação

reparo correto

Mecanismo Direto

E

1014 célulasH2O ----H + OH

DNA alvo 105 genes

DNAlesado 10-6 mutações / gene / divisão celular

não reparo reparo errôneo

DNArestaurado

DNAmutado

célulanormal

célulamutadaviável

mortecelularapoptose

ionização

célulasomática

célulagerminativ

a

CatarataMalformaçõesSíndromes da radiação

Diminuição da longevidadeEnvelhecimento precoceIndução do câncer

Doenças hereditárias(transmissíveis)

efeitos determinísticos efeitos estocásticos

EFEITOS DETERMINÍSTICOS (há limiar)De acordo com o UNSCEAR (1993), o limiar é cerca de:

- INDUÇÃO DE ESTERILIDADE (para indivíduos sadios):

No homem

temporária

permanente

0,15 Gy (exposições agudas)

0,4 Gy/ano (exposições crônicas)

3,5 - 6 Gy (exposições agudas)

2 Gy/ano (exposições crônicas)

- INDUÇÃO DE CATARATA

2 - 10 Gy (radiação de baixa LET)1 - 2 Gy (radiação de alta LET)

0,15 Gy/ano (radiação de baixa LET)

exposições agudas

Na mulher permanente2,5 - 6 Gy (exposições agudas)

0,2 Gy/ano (exposições crônicas)

exposição crônica

Depressão na formação do sangue

eritema e descamação

necrose nos tecidos 50 Gy após 3 semanas de exposição

0,5 Gy (exposição aguda de toda a medula)

3 - 5 Gy com aparecimento de sintomas cerca de 3 semana após exposição

0,4 Gy/ano

- EXPOSIÇÕES NA PELE

- DECRÉSCIMO NO NÚMERO DE CÉLULAS SANGUÍNEAS

período sensível(0,12 a 0,2 Gy)

8–15 semanas após a concepção (período de organogênese)

uma dose de 1 Sv

- RETARDO MENTAL (exposição intra – uterina)

retardo mental severo em cerca de 40% dos indivíduos expostos

Hematopoiético: 2 – 10 Gy ( morte dentro de 10 – 30 dias)

Gastrointestinal: 10 –100 Gy (morte dentro de 3 – 5 dias)

Sistema nervoso central: 100 – 1000 Gy (morte dentro de 1 – 2 dias)

- SÍNDROME AGUDA DA RADIAÇÃO (IRRADIAÇÃO DE CORPO INTEIRO)

- MORTE CELULAR INDIVIDUAL efeito estocástico

- MORTE DE UM GRANDE NÚMERO D ECÉLULAS efeito determinístico (disfunção do órgão ou tecido)

EFEITOS DIRETOS E INDIRETOS DAS RADIAÇÕES

E interage com moléculas vizinhas

E interage diretamente no DNA

Água

Ácidos nucleicos

Proteínas

Lipídeos

Carboidratos

Radiólise da água

H2O H2O+ + e-

e- + H2O H2O-

H2O+ + H2O H+ + H2O + OH

H2O- + H2O OH- + H2O + H

H+ + OH- H2O

H2O H + OH

OH + OH H2O2

H + H H2

H + H2O OH + H2

H + OH H2O

RH + OH R + H2O

reações secundárias

Presença de O2

e- + O2 O2-

O2- + H2O2 OH- + HO2 (radical peroxila)

H + O2 HO2

HO2 + H H2O2

OH + H2O2 H2O+ + HO2

R + O2 RO2 (peróxido orgânico)

LESÃO NO NÚCLEO E NO CITOPLASMARadicais livresEspécies ativas de O2

Núcleo (DNA)

Fe ++ + H2O2 Fe+++ + OH + OH-

O2- + Fe+++ O2 + Fe++

O2- + H2O2 OH + OH- + O2 Fe

Reação de Fenton

dano oxidativo no DNA

envelhecimentomortecelular

câncer

transformaçãomaligna

mutação

LESÃO NO NÚCLEO E NO CITOPLASMARadicais livresEspécies ativas de O2

Citoplasma (membranas)membranas

carboidratosproteínaslípides

formação de peróxidos lipídicos

alterações das propriedades das membranas

alteração no potencial inativação de substâncias receptoras ligadas à membrana

mudança de permeabilidade

decréscimo de fluidez

escoamento de Ca++

e outros íonsaumento da suscetibilidade da membrana ao ataque enzimático

perda da integridade

LISE CELULAR

VÁRIOS TIPOS DE LESÕES INDUZIDAS NO DNA POR RADIAÇÃO IONIZANTE

ACÚCAR

QUEBRA DE PONTES DE

HIDROGÊNIO

AÇÚCAR

PERDA DA BASE

QUEBRA DA FITA DUPLA

QUEBRA DA FITA SIMPLES

DÍMERO D EPIRIMIDINA

RADIOSSENSIBILIDADE CELULAR

Radiação ionizante qualquer tipo de célula do organismoCélulas radiossenbilidade diferente

Fatores que influenciam o efeito da radiação

dosetaxa de dosefracionamento da doseexposição aguda ou crônicatipo de radiação LET

RBE

presença ou não de antioxidantetensão de O2 (Efeito O2)teor hídrico

estado proliferativo (Lei de Bergonie e Tribondeau)fase do ciclo celularestado fisiológico ou metabólicoconstituição genética da célula

FATORES FÍSICOS

FATORES QUÍMICOSagentes modificadores

FATORES BIOLÓGICOS

FATORES FÍSICOSDOSE > dose > dano biológico

TAXA DE DOSETaxa de dose = dose aplicada por unidade

de tempo

Taxa de dose alta > taxa de dose baixa

< tempo de exposição > tempo de exposição

reparo

DL50 dose letal para 50% dos integrantes

da população exposta de corpo inteiro

Organismo DL50(30) (Gy)

Cão 3,5Porco da Índia 4Homem 2,5 - 4,5Camundongo 5,5Macaco 6Rato 7,5Coelho 8Galinha 6Peixe dourado 23Sapo 7Tartaruga 15

Valores típicos de DL50(30) para exposição total deanimais a radiação X ou gama

10,07,55,02,5

100

75

50

25

Dose (Gy)

% L

etal

idad

e

DL 50 (30)

Típico gráfico para determinação da DL50(30) para ratos expostos a irradiação de corpo inteiro por raios X

FRACIONAMENTO DA DOSE

Uma única exposição > forma fracionada dose total seja a mesma

reparo

dose única = doses fracionadas inexistência de reparo

Fracionamento da dose em radioterapia

Poupa os tecidos sadios - reparo do dano subletal- repopulação das células

- reoxigenação de células tumorais Aumenta o dano no tumor - redistribuição de células nas fases

radiosensíveis do ciclo celular

TIPO DE RADIAÇÃO - LET e RBE

quantitativamente independe tipo de radiação

Efeito Biológico quantitativamente depende tipo de radiação

mesma quantidade de E

mesmo número de pares de íons formados

Doses equivalentes de diferentes tipos de radiação não produzem efeitos biológicos quantitativamente similares

1Gy de nêutrons > 1 Gy de raios X

diferença no padrão de deposição de E da radiação

Efeitos biológicos deposição de E da radiação

Deposição de E e a sua distribuição na matéria tipo de radiação

RADIAÇÕES DE ALTA LET > RADIAÇÕES DE BAIXA LET

(partícula , nêutrons) (raios X, raios gama)

LET = quantidade de E média depositada na matéria (keV/m)

unidade de distância percorrida

RBE = dose de raios X (250 kV) (mesmo efeito biológico)

dose de outro tipo de radiação

Curva de sobrevida de células

de mamíferos em cultura,

irradiadas com neutron e com R-X

R-X - fração de sobrevida de 0,01 = 10 Gy n - fração de sobrevida de 0,01 = 6,6 Gy RBE = 1,5 RBE = 3

Explicação: R-X: há shoulder neutron : curva exponencial RBE vai depender da dose

R-X - fração de sobrevida de 0,6 = 3 Gy

n - fração de sobrevida de 0,6 = 1 Gy

LET 100 keV/m (LET ótima)RBE atinge o valor máximo

reflete o tamanho do “alvo”que é similar para todas ascélulas de mamíferos

densidade de ionização

distância média entre oseventos ionizantes coincidecom o da dupla hélicede DNA (2 nm)

Radiações de LET ótimo:-n de algumas centenas de keV-p de baixa E-partículas

FATORES QUÍMICOS

EFEITO O2

Na presença do O2 sistemas biológicos tornam - mais sensíveis à radiação (hipóxia ou anóxia)

radiação X ou 2 e 3 Taxa de aumento do O2 (OER) nêutron 1 e 2

1 (não ocorre a radiossensibilidade pelo O2)

Habilidade do O2 em potencializar a eficácia

de uma dada dose de radiação EFEITO DO O2

O2 modifica quantitativamente o dano da radiação, mas não altera qualitativamente

O2 necessita estar presente no momento da irradiação

Concentração muito pequena de O2 suficiente para induzir um efeito radiobiológico

Tecidos normais (20 - 40 mm Hg) bastante oxigenados

Mecanismos

- age diretamente na molécula - alvo O2 nível de lesões químicas iniciais impede o reparo

- age em nível de radicais livres responsáveis

pelo efeito O2

O2 + R RO2 (peróxidos orgânicos)

O2 potencializa a lesão inicial induzida pela radiação

FATORES CELULARES

ESTADO PROLIFERATIVO

Mais radiossensíveis células que mais rapidamente se dividem

1906 Bergonie e Tribondeau

RADIOSSENSIB. CELULAR = atividade mitótica grau de especialização

FASE DO CICLO CELULAR

células em mitose ou em G2 mais sensíveiscélulas na fronteira G1 / S mais resistentes

variação no nível de compostos contendo grupamentos SH

Hipóteses atividade de enzimas de reparoconfiguração ou grau de condensação do DNA

CONSTITUIÇÃO GENÉTICA DA CÉLULA (capacidade de reparo)

diferentes níveis de indução de dano no DNA + eficiência de reparo

radiossensibilidade intrínseca celular

CLASSIFICAÇÃO DE CÉLULAS DE MAMÍFEROS QUANTO À RADIOSSENSIBILIDADE

GRUPO 1: linfócitos eritoblastos espermatogoniasGRUPO 2: células granulosas mielócitos células intestinais célualas germinativas da camada epidérmica da peleGRUPO 3: células glandulares gástricas células endoteliais de vasos sanguíneosGRUPO 4: osteoblastos osteoclastos condroblastos espermatócitos e espermátidesGRUPO 5: granulócitos osteócitos espermatozóidesGRUPO 6: fibroblastos células endoteliais de grandes vasos sanguíneos eritrócitosGRUPO 7: fibrócitos condrócitos fagócitosGRUPO 8: células musculares células nervosas

RADIOSSENSIBILIDADE DE LINFÓCITOS

• normalmente não se dividem• células especializadas e diferenciadas• células altamente radiossensíveis• relação volume nuclear / citoplasma grande• escassos em citoplasma

Características