Parte 3 Efectos Biológicos

1. PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN RADIOTERAPIA Parte 3 Efectos Biológicos

2. Introducción !Lo que finalmente importa es el efecto biológico! • La dosis al tumor determina la probabilidad de cura (o la probabilidad de paliación) • La dosis a estructuras normales determina la probabilidad de efectos secundarios y complicaciones • La dosis al paciente, al personal, y a los visitantes determina el riesgo de detrimento por radiación a estos grupos

3. Introducción !Lo que finalmente importa es el efecto biológico! • La dosis al tumor determina la probabilidad de cura (o la probabilidad de paliación) • La dosis a estructuras normales determina la probabilidad de efectos secundarios y complicaciones • La dosis al paciente, al personal, y a los visitantes determina el riesgo de detrimento por radiación a estos grupos. Bajas dosis: Efectos estocásticos Altas dosis: Efectos Deterministas

4. Severidad del efecto dosis umbral Efectos deterministas • Debido a muerte celular • Tienen un umbral de dosis – por lo general varios Gy • Específicos para los diversos tejidos • La severidad del daño depende de la dosis

5. Probabilidad de efecto dosis Efectos estocásticos • Debido a cambios celulares (ADN) y su proliferación hacia una enfermedad maligna • Severidad (ejemplo; cáncer) independiente de la dosis • No hay umbral de dosis – también aplicable a dosis muy pequeñas • Probabilidad de efectos aumenta con la dosis

6. Dos objetivos • La radioterapia deliberadamente aplica radiaciones a los pacientes para producir efectos deterministas (matar células tumorosas) – en este contexto se aceptan ciertos efectos deterministas y estocásticos (=efectos secundarios) • La protección radiológica tiene el objetivo de minimizar el riesgo de efectos radiológicos ‘inaceptables’ para el paciente (= complicaciones) debido a errores o una práctica de irradiación no optimizada; así como minimizar el riesgo de efectos dañinos en otros.

7. … cierto margen de interpretación en la práctica • Algunas complicaciones son eventos que no fueron ‘predichos’ para un determinado paciente debido a variaciones biológicas entre los pacientes – aparecen con baja frecuencia (vea ICRP Report 86) • La protección radiológica ha de referirse a la irradiación no intencional (ej. dosis errónea, paciente erróneo) y a la optimización de la administración para minimizar el riesgo de complicaciones

8. Contenido de la Parte 3 Conferencia 1: Radiobiología de la protección radiológica • Efectos deterministas, estocásticos y genéticos • Magnitudes de las radiaciones relevantes • Riesgos Conferencia 2: Radiobiología de la radioterapia • Efectos deterministas; muerte celular • Modelos radiobiológicos; efectos en el tiempo

9. Objetivos de la Parte 3 • Comprender los diversos efectos de las radiaciones sobre los tejidos humanos • Apreciar la diferencia entre altas y bajas dosis; efectos deterministas y estocásticos • Obtener nociones de los ordenes de magnitud de las dosis y sus efectos • Apreciar los riesgos asociados al empleo de las radiaciones ionizantes como punto de partida para un sistema de protección radiológica

10. Parte 3 Efectos Biológicos Conferencia 1: Protección radiológica

11. Contenido 1. Efectos biológicos de las radiaciones 2. De Gray a Sievert 3. Evidencia epidemiológica 4. Riesgos y restricciones de dosis

12. 1. Efectos de las Radiaciones • La radiación ionizante interactúa a nivel celular: • Ionización • Cambios químicos • Efectos biológicos célula núcleo Radiación incidente cromosomas

13. El blanco en la célula: El ADN

14. Procesos de los efectos de las radiaciones

15. Observaciones tempranas de los efectos de las radiaciones ionizantes • 1895 Rayos X descubiertos por Roentgen • 1896 Primeros reportes de quemaduras en piel • 1896 Primer empleo de rayos X para tratamiento del cáncer • 1896 Becquerel: Descubrimiento de la radiactividad • 1897 Primeros casos reportados de daño en la piel • 1902 Primer reporte de cáncer inducido por rayos X • 1911 Primer reporte de leucemia en humanos y cáncer de pulmón por exposición ocupacional • 1911 Reportados en Alemania 94 casos de tumores (50 eran radiólogos)

16. Monumento a los pioneros de las radiaciones que murieron a causa de su exposición

17. Efectos de las radiaciones Tres tipos básicos • Estocásticos - probabilidad de efecto relacionado con la dosis, disminuye al disminuir ésta • Deterministas - umbral para efecto – por debajo, no hay efecto; por encima, hay certeza, y la severidad aumentan con la dosis • Hereditarios- (genéticos) – incidencia estocástica asumida, sin embargo, se manifiesta en las generaciones futuras

18. Efectos deterministas • Debido a muerte celular • Tienen un umbral de dosis • Específicos para determinados tejidos • Severidad del daño depende de la dosis Heridas por radiación desde una fuente industrial

19. Ejemplos de efectos deterministas • Descamado de la piel • Cataratas del cristalino del ojo • Esterilidad • Fallo renal • Síndrome agudo de radiación (cuerpo entero)

20. Reacciones de la piel Daño a la piel por exposición prolongada a rayos X

21. Severidad del efecto dosis umbral Dosis umbrales para efectos deterministas • Cataratas del cristalino del ojo 2-10 Gy • Esterilidad permanente • varones 3.5-6 Gy • hembras 2.5-6 Gy • Esterilidad temporal • varones 0.15 Gy • hembras 0.6 Gy

22. Notas sobre los valores umbrales • Dependen del modo de administrar la dosis: • el más efectivo; una dosis única elevada • el fraccionamiento incrementa el umbral de dosis, en la mayoría de los casos, de forma significativa • disminuir la tasa de dosis incrementa el umbral en la mayoría de los casos • El umbral puede ser diferente para los diferentes individuos

23. Efectos estocásticos • Debido a cambios celulares (ADN) y proliferación hacia una enfermedad maligna • Severidad (ej. cáncer) independiente de la dosis • No hay umbral de dosis (se presume que ocurren a cualquier dosis no importa cuan baja sea) • La probabilidad de efecto se incrementa con la dosis

24. Efectos biológicos A bajas dosis el daño a una célula es un efecto fortuito – haya o no habido transferencia de energía.

25. … ordenes de magnitud • 1cm3de tejido = 109 células • 1 mGy --> 1 en 1000 o impacto en106 células • 999 de 1000 lesiones son reparadas – quedando 103 células dañadas • 999 de 1000 células dañadas mueren (nada serio puesto que millones de células mueren diariamente en toda persona) • 1 célula puede vivir con daño(puede mutar)

26. Inducción del cáncer • El efecto estocástico más importante desde el punto de vista de la seguridad radiológica • Es un proceso de múltiples etapas – generalmente tres: cada una requiere un evento… • Es un proceso complejo que involucra células, la comunicación entre ellas y el sistema inmunológico...

27. Exposición Dosis Absorbida Dosis Equivalente Dosis Efectiva 2. De Gy a Sv: Magnitudes y unidades de las radiaciones

28. Magnitudes de las radiaciones Dosis absorbida D • La cantidad de energía transferida por unidad de masa en un material blanco • Aplicable a cualquier radiación • Se mide en gray (Gy) = 1 joule/kg • La antigua unidad rad = 0.01 Gy

29. Magnitudes de las radiaciones Dosis Equivalente H • Tiene en consideración el efecto de las radiaciones sobre el tejido empleando un coeficiente de ponderación de las radiaciones WR • Se mide en sievert (Sv) • La antigua unidad rem = 0.01 Sv • H = D  wR

30. Coeficientes de ponderación por tipo de radiación (ICRP 60)

31. Nota: La ‘efectividad radiobiológica’ para diferentes tipos de radiaciones depende del último aspecto visto. Los valores del ICRP dados en la diapositiva anterior aplican solo para efectos estocásticos.

32. Magnitudes de las radiaciones Dosis Efectiva E • Toma en cuenta las diversas sensibilidades de los diferentes tejidos ante las radiaciones empleando Factores de Ponderación para TejidowT • Se mide en sievert (Sv) • Se emplea cuando se irradian varios órganos a dosis diferentes, o a veces cuando un órgano se irradia por separado • E = Sum all organs (wT H) = Sumall organs (wT wR D)

33. Coeficientes de ponderación por tejido (ICRP 60)

34. Los riesgos genéticos son considerados, aprox. 4 veces, de menor importancia que la inducción de cáncer Coeficientes de ponderación por tejido (ICRP 60)

35. Magnitudes de las radiaciones • La dosis efectiva se emplea para describir la relevancia biológica de una exposición a las radiaciones en que diferentes tejidos/órganos reciben diversas dosis absorbidas, potencialmente a partir de diversas fuentes de radiación • Los conceptos dados de dosis efectiva y de coeficientes de ponderación por tejido son solo de aplicación a los efectos estocásticos. • La dosis efectiva es una cuantificación de riesgo

36. Magnitudes de las radiaciones Dosis colectiva • Se emplea para medir el impacto total de una práctica con radiaciones, o de una fuente, sobre todas las personas expuestas • Por ejemplo radiología diagnóstico • Se mide en hombre-sievert (hombre-Sv)

37. Cuantificación de los efectos estocásticos • Riesgo total de cáncer fatal para la población general en su vida = 5% / Sv • Riesgo de cáncer fatal en la vida por cáncer de: • Médula ósea 0.5 % / Sv • Superficie ósea 0.05 • Mama 0.2 % • Pulmón 0.85 • Tiroides 0.08

38. ¿Cómo es que se conocen estas cosas? • Epidemiología (observaciones en humanos) • Radiobiología experimental (estudios en animales) • Biología de las radiaciones a nivel celular y molecular

39. 3. Evidencia epidemiológica

40. Rayos-X de Tórax Escáner CT Fracción Típica de la Radioterapia Fondo Anual 3. Evidencia epidemiológica

41. Fuentes de radiación de fondo

42. Contribuyentes a la exposición a las radiaciones en GB Total: 2-3 mSv/año

43. ESTUDIO DE DURACIÓN DE VIDA (Hiroshima y Nagasaki):Solo~5% de 7,800 muertes de cáncer o leucemia se debieron a las radiaciones Otras evidencias (ejemplos) Exposiciones de tiroides con I-131 en Escandinavia Pintores de esferas con Radio Chernobil Tripulaciones de aviones Muchos otros estudios Epidemiología de los riesgos de cáncer

44. Ejemplo de exposición a las radiaciones de una tripulación aérea a la radiación cósmica Exposición de tripulación de Nueva Zelanda • Rutas Internacionales • 1000 horas por año, con 90% del tiempo a una altitud de 12 km • dosis anual de 6.5 mSv a partir de radiación cósmica • Rutas Nacionales • 1000 horas por año, con 70% del tiempo a una altitud de 11 km • dosis anual de 3.5 mSv a partir de radiación cósmica Adaptado de L Collins 2000

45. Datos de los Estudios de Tiroides 131-I de Hiroshima y Nagasaki ? Evidencias epidemiológicas

46. Problemas con los datos a bajas dosis • Los datos de cultivos celulares y de animales son de difícil extrapolación para humanos • Experiencia en humanos • De no ser fortuita sino controlada • Sería extremadamente antiético • Muchas suposiciones en el Estudio de duración de vida • Pobre información de dosis (a parte o a todo el cuerpo) • Condiciones existentes en paralelo desconocidas • Estadísticas deficientes (pequeñas cantidades)

47. ¿Qué pasa en el extremo de las bajas dosis del gráfico, por debajo de 100 mSv?

48. La hipótesis lineal de no umbral, reducida a bajas dosis y bajas tasas de dosis por un factor de 2; se corresponde en general con los datos Evidencias epidemiológicas

49. 4. Estimados de riesgo • Riesgo = probabilidad de efecto • Se pueden examinar diferentes efectos – se necesita observar cuidadosamente el efecto a considerar: ej. ¡Mortalidad por cáncer de tiroides NO es igual a incidencia de cáncer de tiroides!!! • Estimados de riesgo; generalmente obtenidos para altas dosis y extrapolados para bajas dosis

50. La influencia de la tasa de dosis en los efectos estocásticos • Estudios en ratones, comparando irradiación aguda con exposición crónica, muestran un factor de reducción de tasa de dosis entre 2 y 5 para acortamiento de la vida, y entre 1 y 10 para inducción de tumores. • En humanos, los datos de los sobrevivientes de las bombas atómicas sugieren un Factor de eficacia de Dosis y Tasa de Dosis (DDREF) de 2.0 para leucemia y 1.4 para los restantes tipos de cáncer. • Se debe aplicar un DDREF ya sea si la dosis total es < 200 mGy o si la tasa de dosis es menor de 0.1 mGy/min.