CARRERA: INGENIERÍA BIOMÉDICA

1. MATERIA: MEDICINA NUCLEAR CARRERA: INGENIERÍA BIOMÉDICA F.C.E.F.y N - U.N.C. Año: 2008 Lic. G. R. Vélez – Lic. A. Martínez – Lic. M.L. Haye.

2. Ciclo celular Efectos Biológicos de la Radiación

3. FASE G1 FASE G2 FASE S El ciclo celular es el proceso ordenado y repetitivo en el tiempo mediante el cual las células crecen y se dividen dando lugar, en la mayoría de los casos, a dos células hijas. Las células que se encuentran en el ciclo celular se denominan proliferantes y las que se encuentran en fase G0 se llaman células quiescentes. La célula puede encontrarse en dos estados claramente diferenciados El estado de no división o interfase El estado de división, llamado fase M Interfase Es el período comprendido entre divisiones celulares. Es la fase más larga del ciclo celular, ocupando casi el 95% del ciclo, trascurre entre dos mitosis y comprende tres etapas:

4. FASE G1 FASE G2 FASE S (Del inglés Growth 1): Es la primera fase del ciclo celular, en la que existe crecimiento celular con síntesis de proteínas y de ARN. Es el período que trascurre entre el fin de una mitosis y el inicio de la síntesis de ADN. Tiene una duración de entre 6 y 12 horas, y durante este tiempo la célula dobla su tamaño y masa debido a la continua síntesis de todos sus componentes. (Del inglés Synthesis): Es la segunda fase del ciclo, en la que se produce la replicación o síntesis del ADN, como resultado cada cromosoma se duplica y queda formado por dos cromátidas idénticas. Con la duplicación del ADN, el núcleo contiene el doble de proteínas nucleares y de ADN que al principio. Tiene una duración de unos 6-8 horas. (Del inglés Growth 2): Es la segunda fase de crecimiento del ciclo celular en la que continúa la síntesis de proteínas y ARN. Al final de este período se observan cambios en la estructura celular, que indican el principio de la división celular. Tiene una duración entre 3 y 4 horas. Termina cuando los cromosomas empiezan a condensarse al inicio de la mitosis.

5. Tipos de daños por radiación Fase M (mitosis y citocinesis) Es la división celular en la que una célula progenitora (células eucariotas, células somáticas -células comunes del cuerpo-) se divide en dos células hijas idénticas. Esta fase incluye la mitosis, a su vez dividida en: profase, metafase, anafase, telofase; y la citocinesis, que es la separación física del citoplasma en dos células hijas durante la división celular y que se inicia ya en la telofase mitótica. Si el ciclo completo durara 24 h, la fase M duraría alrededor de media hora (30 minutos). La interacción de las RI con los sistemas biológicos responde a los mismos principios que se aplican para la interacción de las RI con la materia, pero las células cuentan con mecanismos que les permiten reparar el daño producido por las RI.

6. EFECTOS DIRECTOS EFECTOS INDIRECTOS El ADN contenido en el núcleo celular es el blanco principal del daño por radiación pero no el único, también lo son la membrana plasmática, sistemas de endomembranas y la mitocondria. EFECTOS DIRECTOS Y EFECTOS INDIRECTOS Roturas simples o dobles de la molécula de ADN Alteración de Bases Predomina para radiación de alta LET Producción de Radicales Libres Predomina para radiación de baja LET

7. DAÑO INICIAL Y DAÑO RESIDUAL • Con una Dosis de 1Gy (baja LET), se producen: 1000 rupturas simples (SSB) 30 a 40 rupturas dobles (DSB) por célula DAÑO INICIAL Mecanismos de Reparación Luego de unas horas, queda un porcentaje mínimo de ese daño DAÑO RESIDUAL

8. Algunos comentarios sobre radiosensibilidad... LEY DE BERGONIE Y TRIBONDEAU (1906) Son menos diferenciadas Las células son más radiosensibles cuando Tienen mayor actividad proliferativa RADIOSENSIBILIDAD Y CICLO CELULAR • El final de G1 es una fase radiosensible, luego las células devienen más radiorresistentes a medida que progresan en la fase S. • La radiosensibilidad celular es máxima en la fase G2/M. • G0 es usualmente considerada de baja radiosensibilidad.

9. Concepto de Transferencia Lineal de Energía La Transferencia Lineal de Energía, TLE (en inglés Lineal Energy Transfer, LET) es la cantidad de energía que se deposita en la materia cuando interacciona con las radiaciones ionizantes. • Los diferentes tipos de radiación (rayos x, partículas alfa, rayos beta, neutrones, rayos gamma, etc.) tienen diferente TLE. Las radiaciones con baja TLE provocan ligera ionización a lo largo de su recorrido, como los rayos X, mientras que las radiaciones con alta TLE provocan ionización densa en su recorrido, como los protones. • En radiobiología, mientras mayor sea la TLE, mayor será la ionización y por lo tanto mayor será el efecto o daño biológico que se puede producir.

10. CURVAS DE SOBREVIDA CELULAR Se obtienen curvas exponenciales de Supervivencia Celular en función de la Dosis. Algunas de ellas presentan un hombro, dependiendo de la calidad de la RI. hombro

11. Las curvas pueden ser caracterizadas básicamente por la pendiente, y por ladosis letal media (D0) necesaria para reducir la supervivencia en un 37%. • Para radiaciones dealta LET la curva dosis-respuesta es exponencial, la que resulta una recta en escala semi-logarítmica. • Las curvas para radiación de baja LET tienen un hombro inicial seguido de una parte rectilínea o casi rectilínea en escala semi-logarítmica. Se caracterizan por tener una D0 en la parte exponencial de la curva, un número de extrapolación (n) y una dosis cuasi-umbral (Dq) que es el valor de la intersección de la parte rectilínea de la curva sobre el eje de las dosis.

13. Modelo de análisis de curvas de sobrevida celular • Los datos experimentales se grafican como fracción de células que sobreviven (escala logarítmica) en función de la dosis (escala lineal) • Se cuantifica el “hombro” extrapolando al eje la porción exponencial de la curva (n: N° de extrapolación) • Una línea horizontal trazada desde el 100% de sobrevida define la Dq (dosis quasi-umbral). • La pendiente de la porción terminal de la curva se cuantifica mediante D0 (dosis correspondiente a una sobrevida del 37%: indicadora de radiosensibilidad)

14. Modelo Lineal - Cuadrático Los modelos empleados para describir las curvas de supervivencia celular tienen en cuenta ciertos aspectos: Produce la muerte directa de la célula • Existen dos componentes fundamentales del daño celular Daño Letal Puede ser reparado, o bien producir la muerte de célula por acumulación tras una dosis de radiación adicional. Daño Subletal • El efecto final de una dosis de radiación, depende del tipo de radiación y de la tasa con que ésta se administre. • El modo en que responde una población celular a la radiación depende de la forma en que sus constituyentes se distribuyen en el ciclo reproductivo en el momento en que se administra la dosis.

15. En el modelo lineal-cuadrático la sobrevida es igual a: • S es la fracción de supervivencia, D es la dosis,  y  son constantes características de la población celular estudiada. • Luego, si: D = D2 , entonces D =  /  • La componente  representa la pendiente inicial y la componente  representa la pendiente terminal de la curva. El cociente  /  representa la dosis a la cual la contribución de ambas es equivalente.

16. El cociente / permite caracterizar a los tejidos desde el punto de vista radiobiológico. • Las condiciones en que puede aplicarse la forma más simple de este modelo son tres: • La dosis se administra en un tiempo mucho menor que el tiempo medio de reparación del daño subletal. • Durante la irradiación la repoblación celular es despreciable. • Si la dosis se administra en fracciones, el intervalo de tiempo entre dos irradiaciones consecutivas es suficientemente largo como para que la reparación de todo el daño subletal sea completa.

17. Relación de Isoefecto Consideremos que el Efecto Biológico, E, en tejidos irradiados, está únicamente determinado por la fracción celular superviviente, S. Si usamos el modelo Lineal Cuadrático: n es el número de fracciones y d es la dosis por fracción Definimos la Dosis Biológica Efectiva o Equivalente, DBE, (en inglés BED, Biological Effective Dose) como:

18. Obtenemos: o bien Esta expresión depende sólo del cociente / característico para un tipo de tejido y una reacción particular, de la dosis d y del número de fracciones n.

19. Comentarios... • DBE tiene unidades de dosis (Gy). • DBE es la dosis que tendríamos que administrar al tejido o tumor para conseguir el isoefecto deseado en fracciones infinitamente pequeñas (n infinitamente grande) suponiendo que la célula sólo tiene posibilidad de morirse siguiendo la vía de muerte celular α. • La DBE es aditiva, el efecto global de varias irradiaciones consecutivas puede calcularse como la suma de la DBE correspondiente a cada una de ellas. • Este concepto, se puede aplicar a cualquier modelo de supervivencia celular.

20. Veamos... ¿Cuándo dos tratamientos de radioterapia con distinto fraccionamiento (número de fracciones y dosis por fracción (n1, d1) y (n2, d2)) son equivalentes para cierto efecto? Esto sucede cuando los valores de la DBE que proporcionan dichos esquemas son iguales

21. Los valores de / suelen ser grandes para los tumores, salvo excepciones (melanoma, liposarcoma) y para las reacciones precoces de los tejidos sanos. Un valor aproximado adecuado está entre 10 y 15 Gy. • Para las reacciones tardías en tejido sano, el valor de / es pequeño, unos 2 Gy. • El efecto de la dosis por fracción y de la reparación entre fracciones consecutivas es especialmente importante para la respuesta tardía de los tejidos sanos, pero influye mucho menos en la respuesta del tumor y las reacciones precoces de los tejidos sanos.

22. Representación de curvas de supervivencia del modelo Lineal Cuadrático típicas para tejidos de respuesta rápida y tumores (línea continua), y para tejidos de respuesta lenta (línea discontinua). Los valores de los parámetros utilizados para confeccionarlas se muestran en la figura.

23. Ejemplo de aplicación del Modelo Lineal Cuadrático Comparar un tratamiento convencional, 30 fracciones de 2 Gy, 1 fracción por día, 5 días por semana; con otro tratamiento a 3Gy/día, 1 sesión por día , 5 días por semana. / = 3 Gy para tejido de respuesta tardía. Asumimos los siguientes valores para / / = 10 Gy para tejido de respuesta aguda. Para efectos tempranos o agudos: Ahora: Por lo tanto, la dosis total equivalente a 3 Gy día es: Para efectos tardíos: Ahora: Por lo tanto, la dosis total equivalente a 3 Gy día es:

24. Otros tratamientos Para el caso donde la cantidad de aplicaciones por semana difiere entre un tratamiento y otro debemos considerar la proliferación de las células Donde t es el tratamiento mas corto y T el más largo. Para el caso donde existe una interrupción en el tratamiento, tenemos en cuenta el daño reparado en ese tiempo a través de Hm Donde Hm es la fracción de daño reparado en m horas

25. Curvas de Respuesta a la Dosis Probabilidad de Control Tumoral 100% Óptimo Probabilidad de Complicaciones en Tejido Normal 50% Probabilidad de Control Tumoral sin Complicaciones 0% Dosis A B C PT PS PSC

26. Para que la radioterapia sea efectiva la curva PT debe situarse a la izquierda de la curva PS. Cuanto más cerca están estas curvas, más difícil será elegir el nivel de dosis para controlar el tumor sin causar daño a los tejidos normales. • La dosis B representa el balance óptimo entre el control local del tumor y una incidencia aceptable de efectos secundarios o complicaciones en los tejidos sanos. (Es la dosis a la que PSC es máxima). • Con la dosis C podría lograrse el 100% de control tumoral pero, debido a las complicaciones, la mayor parte de los pacientes no sobrevivirían al tratamiento.

27. Efectos del Oxígeno El O2 tiene un importante efecto potenciador sobre la acción biológica de las RI, en particular con radiaciones de baja LET. Incrementa el efecto de los radicales libres Cuando se irradia con radiación de baja LET en ausencia de O2 (anoxia), se requieren dosis más altas (factor, OER, 2.5-3) para obtener el mismo efecto que cuando se irradia en presencia de O2. El efecto del oxígeno se cuantifica mediante un coeficiente no dimensional denominado OER (Oxygen Enhancement Ratio) Es la proporción en la que debe aumentarse la dosis, cuando se imparte en condiciones de hipoxia, para obtener el mismo resultado biológico que en condiciones de buena oxigenación. OER

28. Efecto de la Tasa de Dosis El hecho de que la eficacia biológica de la radiación sea distinta según la forma en que la impartamos en el tiempo, se demonina efecto de la tasa de dosis, y es un fenómeno que tiene que ver con la forma en que las células luchan contra los efectos de la radiación. Hay tres efectos de tasa de dosis: • Efecto de tasa de dosis debido a la proliferación. A bajas tasas de dosis, hay una competencia entre división y muerte celular, que favorecerá al proceso con mayor tasa. A mayor tasa de dosis, la tasa de proliferación se va haciendo despreciable frente a la de mortalidad celular. Este efecto lo presentan tanto las radiaciones de alta LET como las de baja LET.

29. Efecto de tasa de dosis debido a la reparación. Este efecto se da en radiaciones de baja LET, ya que los daños que producen en la molécula de ADN pueden ser reparados por la célula. (Las radiaciones de alta LET producen, generalmente, roturas dobles) Si la tasa de dosis es lo suficientemente alta, producirá lesiones a un rítmo mucho mayor que el de reparación. A muy alta tasa de dosis, la supervivencia celular deja de depender de ésta, porque la reparación no puede competir con la producción de lesiones. • Efecto inverso de la tasa de dosis. Cuando la tasa de dosis es baja, el número de lesiones no es alarmante, y la célula, que está dentro del ciclo reproductivo, pospone su reparación a la fase G2 tardía. Si la tasa de dosis aumenta, no se puede posponer la reparación y para reparar, la célula suspende el proceso del ciclo reproductivo.

30. En la fase G2 tardía, la célula atraviesa una etapa de máxima radiosensibilidad del ciclo celular, mientras que las células que paran su ciclo para la reparación, estarán en una fase de menor sensibilidad, por lo cual habrá un brusco aumento de la eficacia contra la radiación, lo cual aumentará la supervivencia celular al aumentar la tasa de dosis. Efecto inverso de la tasa de dosis.

31. Efecto de la Dosis FRACCIONAMIENTO PROTRACCION Los tratamientos radiantes pueden administrarse siguiendo esquemas diversos de distribución temporal de la D Los esquemas convencionales utilizan una fracción diaria de 2 Gy, 5 días/semana, durante varias semanas. queda definido por el número de sesiones (n) y la dosis por fracción (d) se relaciona con el tiempo total de tratamiento (“overall time”: Tov), que se define como el tiempo transcurrido entre la 1º y la última sesión.

32. El fraccionamiento de una dosis (D) en un número (n) de fracciones (d) contribuye a la protección de los tejidos sanos debido a la reparación del daño sub-letal y a los fenómenos de repoblación celular que ocurren entre 2 fracciones consecutivas • El fraccionamiento incrementa el efecto sobre las células tumorales porque permite la reoxigenación tisular y la redistribución de las células dentro del ciclo celular. Reparación Repoblación Reoxigenación Redistribución Las 4 R de la Radiobiología

33. La relación dosis-efecto y la dependencia con el fraccionamiento difiere para los tejidos de respuesta temprana (epidermis, mucosas, médula ósea) respecto de los de respuesta lenta (dermis, tejido conectivo, médula espinal) A mayor dosis (D) mayor frecuencia y severidad de efectos tanto tempranos como tardíos , pero... • la prolongación del tiempo total de tratamiento (Tov) incide sobre la frecuencia y severidad de los efectos tempranos pero tiene muy poca influencia sobre los efectos tardíos. • a igual dosis total (D), las reacciones tardías serán más severas cuanto menor sea n ( y por lo tanto: cuanto mayor sea “d”)

34. Cuáles son las ventajas del fraccionamiento y la protracción de la dosis en radioterapia? PROTRACCIÓN FRACCIONAMIENTO Permite la repoblación de los tejidos de respuesta rápida con lo que disminuye reacciones agudas. Reoxigenación Disminuye complicaciones tardías una prolongación excesiva del tratamiento podría disminuir la tasa de complicaciones agudas sin modificar la tardías pero pudiendo disminuir el control local. Por cada día que se prolonga la protracción, la pérdida de control local es de 1,65 % (cabeza y cuello) y 0,8 % (cervix)

35. Radiosensibilizantes Los radiosensibilizantes son sustancias que hacen a las células más sensibles a los efectos de la radiación. • Las sustancias que tienen un alto potencial oxidante poseen propiedades radiosensibilizantes análogas a las del O2. • Hay radiosensibilizadores que actúan sobre la molécula de ADN y no por reoxigenación. Algunos ejemplos Hidroxiurea Cisplatino Adriamicina Un radiosensibilizador debe cumplir con algunas propiedades como:- sensibilizar células hipóxicas con una toxicidad aceptable para tejido sano- ser químicamente estables y de lenta metabolización- ser altamente solubles en agua o lípidos- difundir en tejido no vascularizado- ser efectivos durante todo el ciclo celular

36. Radioprotectores Los radioprotectores son sustancias que, estando presentes durante la irradiación, disminuyen sus efectos, por lo que tienen una acción preventiva. • Su mecanismo de acción es a través del atrapamiento de radicales libres Algunos ejemplos Amifostina Fosfonol • La toxicidad de estos compuestos limita su uso práctico. • Los radioprotectores se encuentran en investigación.