EFEITOS BIOLÓGICOS DO NÊUTRON ORIGINADOS POR Cf252

LÍDIA MARIA ANDRADE

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

ESCOLA DE ENGENHARIA

LÍDIA MARIA ANDRADE

EFEITOS BIOLÓGICOS DO NÊUTRON ORIGINADOS POR Cf252

Monografia apresentada à Disciplina Engenharia Nuclear do curso de Mestrado em Ciências e Técnicas nucleares da Escola de Engenharia da UFMG Orientador: professor Tarcísio Passos R. Campos

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

BELO HORIZONTE

2000

“Os povos sem ciência não passam de cortadores de lenha e carregadores de água para os povos mais esclarecidos .”

ERNEST RUTHERFORD

(1871–1937)

Para os meus amigos. SEMPRE.

RESUMO:

Fontes de nêutron têm sido aplicadas em terapêutica e pesquisas

biológicas. Fontes de fissão espontânea como o Califórnio-252

podem ser encontradas em investigações sobre efeitos biológicos

dos nêutrons, dosimetria e terapia de tumores humanos, bem como

sua relação com aberrações cromossômicas.

4

SUMÁRIO: RESUMO 04

1- INTRODUÇÃO 06

2- REVISÃO DE LITERATURA 07

2.1- HISTÓRICO 07 2.2- CARACTERÍSTICAS DO NÊUTRON 08 2.3- INTERAÇÃO DE NÊUTRONS COM A MATÉRIA 09 2.4- EFEITOS BIOLÓGICOS DO NÊUTRON 11 2.5- CALIFÓRNIO 13

3- DISCUSSÃO 17

4- CONCLUSÃO 19

SUMMARY 20

5- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 21

5

1- INTRODUÇÃO: Os nêutrons são partículas constituintes do núcleo atômico, sem carga

elétrica e com uma massa em torno de 1,08 u.m.a

O grande número de reações nucleares que os nêutrons induzem

constitui uma valiosa fonte de informações sobre o núcleo, bem como

possibilitam a formação de novas espécies nucleares. Os nêutrons

têm encontrado várias aplicações aos diversos ramos da ciência como

a química, a biologia e a medicina. (KAPLAN, 1961)

Dentre as aplicações das fontes de nêutron na medicina estão o uso

de radioisótopos para estudos clínicos em medicina nuclear,

terapêutica por captura neutrônica, teleterapia e braquiterapia.

(STASIULEVICIUS & RODRIGUES, 1995)

A RBE de nêutrons originados por Cf252 é capaz de causar alterações

genéticas em diferentes tipos de células somáticas. Este elemento é

uma poderosa fonte de nêutrons, com alta energia, sendo um valioso

instrumento para investigações na área biológica. (YOSHIKAWA,

1996)

As propriedades do Nêutron podem contribuir significativamente para

ampliar os conhecimentos na pesquisa médica especialmente sobre

seus efeitos biológicos e radioproteção. 6

2- REVISÃO DE LITERATURA 2.1- HISTÓRICO: Desde o ano 400 a.C. os filósofos gregos Demócrito e Leucipo já

discutiam a respeito da constituição da matéria. Eles defendiam a idéia

de que a matéria seria descontínua e haveria um momento em que

seria impossível sua divisão, chegando a uma partícula indivisível que

foi denominada átomo.(FERREIRA et al., 1983)

A base para a evolução do estudo da matéria encontra-se na

experiência de Rutherford, que conseguiu provar a descontinuidade da

mesma e, juntamente com os trabalhos de Böhr, possibilitou o

conhecimento de que o átomo é constituído de um núcleo central,

portador de carga positiva e em torno do qual gravitam, em movimento

vibratório, os elétrons. Mais tarde, Chadwick , em 1932, descobre a

existência dos nêutrons, portadores de massa, sem carga elétrica

convivendo com os prótons, de carga positiva, no interior do núcleo

atômico. (ROCHA, 1976, FREITAS et al., 1994)

O elemento Califórnio foi criado artificialmente em 1950 por Thompson

e colaboradores, na Universidade da Califórnia. Trata-se de um

elemento transurânico, emissor de nêutrons por fissão espontânea,

utilizado em sistemas eletrônicos e em pesquisas

médicas.(ENCARTA,1996)

7

2.2- CARACTERÍSTICAS DO NÊUTRON:

As propriedades básicas do nêutron são: massa de 1,008665 u.m.a,

quase igual a do núcleo de hidrogênio; a carga elétrica é desprezível.

O nêutron interage com o núcleo do átomo na matéria, penetrando

mais facilmente que partículas eletricamente carregadas ou radiações

eletromagnéticas. (STASIULEVICIUS & RODRIGUES, 1995)

KAPLAN, (1961), comenta que devido a ausência de carga dos

nêutrons a ionização produzida ao atravessarem a matéria é

desprezível, não podendo ser detectados diretamente. Para sua

detecção são aproveitados os efeitos secundários resultantes da

interação com o núcleo como a emissão de partículas carregadas,

fissão do núcleo composto e formação de um núcleo radioativo.

LAMARSH, (1983) relata a importância do estado eletricamente neutro

dos nêutrons. Esta propriedade permite que nêutrons não sejam

afetados ao passarem pela nuvem eletrônica do átomo ou pela carga

positiva do núcleo. O autor enfatiza que o nêutron colide com o núcleo

e não com o átomo.

Ainda segundo o mesmo autor o nêutron pode ser caracterizado por

sua energia como nêutrons rápidos, epitérmicos e térmicos e que

feixes de nêutrons (mono e polienergéticos) podem ser gerados em

reatores, aceleradores de partículas, fissão espontânea, reações

nucleares tipo (γ,n), (α,n) e (p,n) entre outros.

8

2.3- INTERAÇÃO DE NÊUTRONS COM A MATÉRIA:

Quando se introduz uma fonte de nêutrons rápidos no interior de uma

massa volumosa contendo núcleos leves, os nêutrons perdem energia

a medida que sofrem colisões.Esta perda de energia continua até que

a velocidade dos nêutrons se torne comparáveis à vibração térmica

dos núcleos do material colidido tornando-se nêutrons térmicos.

(KAPLAN, 1961)

LAMARSH (1983) afirma que a interação de nêutrons com o núcleo

procede das seguintes formas: espalhamento elástico, espalhamento

inelástico, captura radioativa, reação de partículas carregadas,

produção de nêutrons e fissão.

De maneira geral, os nêutrons térmicos interagem com os nuclídeos

de um alvo, através dos processos de absorção e espalhamentos

diversos. A característica importante dos nêutrons térmicos é a de

assumir um comprimento de onda associado, da mesma ordem de

grandeza das distâncias interatômicas encontradas nos materiais

sólidos, em conseqüência, ao interagirem com o conjunto de átomos

de uma família de plano cristalino, acarretam interferências

construtivas, ao serem espalhados pelos núcleos vizinhos.

(STASIULEVICIUS, 1997).

9

O nêutron possui grande massa e não interage com a matéria por

meio de força coulombiana, que predomina nos processos de

transferência de energia da radiação para a matéria. O nêutron é

bastante penetrante e, ao contrário da radiação gama, as radiações

secundárias são freqüentemente núcleos de recuo, principalmente

para materiais hidrogenados, com alto poder de ionização. A secção

de choque macroscópica total é a probabilidade, por unidade de

comprimento, de o nêutron sofrer espalhamento ou captura. O nêutron

tem facilidade de interagir com o núcleo atômico e, às vezes, ativá-lo;

o material para blindagem deve ter baixo número atômico para atenuar

a sua energia no processo de colisões sucessivas ou apresentar

reação nuclear de captura par absorvê-lo.(TAUHATA, et al, 1999).

10

2.4- EFEITOS BIOLÓGICOS DO NÊUTRON:

BROERSE & BROERS-CHALLISS, (1971) chamam a atenção para a

importância de se verificar mudanças na eficiência biológica relativa

(RBE) e na proporção de oxigênio do tecido (OER) em radioterapia

quando se empregam diferentes feixes de nêutrons rápidos com

variadas profundidades nos diversos sistemas biológicos.

O efeito letal em células de mamíferos usando nêutrons rápidos é

dependente da energia dos mesmos. Irradiações com nêutrons

rápidos têm um espectro maior de danos celulares quando

comparados à radiações de baixa LET.(BERRY, 1971).

PORSCHEN & FEINEDERGEN, (1971) realizaram experimentos para

determinação de efeitos biológicos em tecidos normais e em sarcoma.

Eles irradiaram ratos brancos com 15 MeV de nêutrons rápidos. Aos

animais foi administrado I125 , antes e após a irradiação, que se

concentrou no DNA, células da medula óssea e do trato gastro-

intestinal. Verificou-se a supressão da síntese de DNA após a

irradiação quando o traçador foi injetado e a leitura feita 24 e 72 horas

pós-radiação. Os autores usaram um sarcoma sólido, transplantado

para a pata traseira dos ratos, com o mesmo traçador. Concluíram que

a incorporação do traçador ao DNA cai em função do aumento da

dose e da LET sendo a queda proporcional à quantidade de morte

celular.

STOILOV & FILEV, (1971) fizeram um estudo sobre aberrações

cromossomiais em sementes de cevada. Eles irradiaram as sementes

com nêutrons rápidos usando o SNIF com doses de 600, 1000,1400 e

1800 rads (1.8Gy); o volume de trabalho do SNIF foi de 22.2 rads

(0.22Gy) por segundo. Os autores observaram alterações na

morfologia dos cromossomos que foram mais acentuadas nas doses

entre 1400 e 1800 rads (1.4 a 1.8Gy).

DI PAOLA et al, (1971) mediram a opacificação do cristalino em 822

ratos jovens utilizando um feixe de nêutrons de 400 MeV. Os ratos

foram irradiados com feixes puros e com um atenuador e os dados

comparados com a irradiação do cristalino com raios-X de 250 kV; as

doses foram de 5 a 58 rads (0.05 a 058Gy) para os nêutrons e 50 a

400 rads (0.50 a 4Gy) para os raios-X. Os resultados foram medidos

após 20 meses da irradiação verificando opacificação de vários graus

e os valores de RBE foram estipulados em 5.75 para feixes puros e

cerca de 2 para feixes atenuados.

ZACCAI (1993) comenta a utilização das propriedades dos nêutrons

para estudo bioquímico de sistemas biológicos a nível molecular como

o estudo da dinâmica de proteínas solúveis por espalhamento

inelástico, a função de multicomponentes complexos como acido

nucléico e síntese de proteínas e interação da transcriptase reversa

com o RNA do vírus HIV. O autor relata o uso do Deutério rotulado

nestes estudos.

HATANAKA (1993) relata o uso de nêutrons no tratamento de tumores

através de captura neutrônica usando o Boro e nêutrons térmicos,

aumentando a expectativa de vida dos pacientes após tratamento.

12

2.5- O CALIFÓRNIO:

O elemento Califórnio, Cf252 , é uma fonte de nêutrons por fissão

espontânea; decai por emissão alfa e tem uma meia-vida efetiva de

2,65 anos, como mostra a tabela de nuclídeos. (FIG.1 e 2)

O Califórnio é uma fonte de nêutrons rápidos, com média de energia

ao redor de 2 MeV, atividade específica ao redor de 536mCi/mg e

emissão de nêutrons de 2.3x109 n/Seg/mg. (FIG.3)

FIGURA 3: média de energia do

Nêutron originado por Cf252

13

TANAKA et al. (1994) analisaram aberrações cromossômicas em

linfócitos do sangue periférico humano causado por nêutrons emitidos

por califórnio. O espectro de nêutrons filtrados teve um range de 0.1 a

2 MeV com um pico de 0.7 MeV. Os autores encontraram aberrações

do tipo em anel, cromossomos acêntricos e dicêntricos induzidos tanto

por feixes filtrados quanto por não filtrados.

JENNER & O’NEILL, (1996) estudaram os efeitos direto e indireto da

irradiação por nêutrons originados do califórnio na inativação, quebra

do DNA e reparo celular em células de mamífero. Estes autores

concluíram que partículas de alta LET são mais efetivas em causar

danos quando comparadas a fótons de baixa LET.

MARTIN et al. (1997) relatam o uso de fontes de califórnio para

tratamento de tumores cerebrais e outros tipos de tumor; esta

modalidade diminui o tempo de tratamento e a dose para a equipe

clínica.

16

3- DISCUSSÃO:

Os efeitos biológicos do nêutron estão relacionados a alterações na

morfologia dos cromossomos tais como a formação de cromossomos

dicêntricos, multicêntricos, cromossomos anelares, cromossomos

acêntricos entre outros.(FIG.4)

FIGURA 4: Aberrações cromossômicas

17

A porcentagem de aberrações cromossomiais induzidas por nêutrons

rápidos aumenta linearmente com o aumento da dose. As maiores

alterações são observadas em altas doses de 1400 a 1800 rads (1.4 a

1.8Gy). (STOILOV et al., 1971)

Em seu trabalho FUKUTSU et al., (1993) estimaram as doses D10 de

sobrevida celular de células de intestino de ratos irradiadas com

nêutrons em 8.3Gy e 9.9Gy para doses simples e fracionadas

respectivamente.

A quebra da fita dupla do DNA é o evento mais provável para explicar

o efeito da morte celular induzida por radiação em células de

mamíferos.(FORAY & MALAISE, 1998).

Atenção especial deve ser dada na avaliação de fontes de nêutron

isotrópicas, especialmente as de fissão espontânea como o Cf252 que

vêm tendo um aumento de suas aplicações nos estudos dos efeitos

biológicos com irradiação por nêutrons rápidos. (WHETSTONE, 1971).

Os experimentos de YOSHIKAWA, (1996) para verificar alterações

genéticas induzidas por radiação com nêutrons rápidos, estimaram

valores de RBE para nêutrons originados por Cf252 em 8.5 e 1.2 para

induzir mutações genéticas e alterar a mitose, respectivamente, em

larvas de Drosophila.

A alta energia dos nêutrons originados pelo Califórnio favorece seus

efeitos no núcleo de tecidos biológicos usando baixas doses quando

comparada a doses de fótons, podendo ser usados para várias

finalidades em terapêutica e pesquisa.

18

4- CONCLUSÃO:

• Os nêutrons têm um alto poder de penetração, interagindo

diretamente com o núcleo atômico sem sofrerem interferência da

nuvem eletrônica;

• Devido às suas propriedades os nêutrons são bastante úteis na

investigação da função de multicomplexos proteicos e

mecanismos de síntese de proteínas e do DNA;

• Os efeitos biológicos da radiação por nêutrons ocorrem em

menores doses quando comparados aos efeitos originados por

fótons;

• O Califórnio é uma fonte de nêutrons por fissão espontânea, de

alta energia, bastante útil na pesquisa biológica e em radioterapia.

19

SUMMARY:

Neutron sources has beem applications on general therapeutic and

biologicals research. Source of spontaneous fission as Californium-

252 can be found in investigations about biological effects of the

neutrons, dosimetry and therapy of human tumors, as well as its

relationships with chromosome aberration.

20

5- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

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