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 radiação
organismos vivos
EFEITO
moléculas biológicas BIOLÓGICO
E não há deposição de energia nenhum efeito
E deposição de energia célula danificada reparo
E dano letal morte celular
E dano subletal danifica a célula sem causar morte
interação da radiação
com as células vivas
célula normal
célula alterada
manifestações biológicas
eventos pouco conhecidos
E
exitação
1014 células
ionização
Mecanismo Direto
DNA alvo 105 genes
Mecanismo Indireto
H2O ----H + OH
DNA
lesado
reparo correto
10-6 mutações / gene / divisão celular
não reparo
reparo errôneo
DNA
mutado
DNA
restaurado
morte
celular
célula
mutada
viável
célula
normal
célula
somática
Catarata
Malformações
Síndromes da radiação
efeitos determinísticos
apoptose
célula
germinativa
Diminuição da longevidade
Envelhecimento precoce
Indução do câncer
Doenças hereditárias
(transmissíveis)
efeitos estocásticos
EFEITOS DETERMINÍSTICOS (há limiar)
De acordo com o UNSCEAR (1993), o limiar é cerca de:
- INDUÇÃO DE ESTERILIDADE (para indivíduos sadios):
temporária
No homem
permanente
Na mulher
permanente
0,15 Gy (exposições agudas)
0,4 Gy/ano (exposições crônicas)
3,5 - 6 Gy (exposições agudas)
2 Gy/ano (exposições crônicas)
2,5 - 6 Gy (exposições agudas)
0,2 Gy/ano (exposições crônicas)
- INDUÇÃO DE CATARATA
2 - 10 Gy (radiação de baixa LET) exposições agudas
1 - 2 Gy (radiação de alta LET)
0,15 Gy/ano (radiação de baixa LET)
exposição crônica
- EXPOSIÇÕES NA PELE
eritema e descamação
3 - 5 Gy com aparecimento de sintomas cerca
de 3 semana após exposição
necrose nos tecidos
50 Gy após 3 semanas de exposição
- DECRÉSCIMO NO NÚMERO DE CÉLULAS SANGUÍNEAS
Depressão na formação do
sangue
0,5 Gy (exposição aguda de toda a medula)
0,4 Gy/ano
- RETARDO MENTAL (exposição intra – uterina)
período sensível 8–15 semanas após a concepção (período de organogênese)
(0,12 a 0,2 Gy)
uma dose de 1 Sv
retardo mental severo em cerca de 40% dos indivíduos
expostos
- SÍNDROME AGUDA DA RADIAÇÃO (IRRADIAÇÃO DE CORPO INTEIRO)
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)
- 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
Água
Ácidos nucleicos
Proteínas
Lipídeos
Carboidratos
E
interage diretamente no DNA
Radiólise da água
H 2O
H 2 O+ + e e- + H 2 O
H 2 OH 2 O+ + H 2 O
H+ + H2O + OH
H 2 O- + H 2 O
OH- + H2O + H
H+ + OHH 2O
H 2O
H + OH
reações secundárias
OH + OH
H +H
H + H2O
H + OH
RH + OH
Presença de O2
e- + O 2
O2 - + H 2 O2
H + O2
HO2 + H
OH + H2O2
R + O2
O2 OH- + HO2 (radical peroxila)
HO2
H 2 O2
H2O+ + HO2
RO2
(peróxido orgânico)
H 2 O2
H2
OH + H2
H 2O
R + H 2O
LESÃO NO NÚCLEO E NO CITOPLASMA
Radicais livres
Espécies ativas de O2
Núcleo (DNA)
Fe ++ + H2O2
Fe+++ + OH
O2- + Fe+++
O2 + Fe++
O 2 - + H 2 O2
OH + OH- + O2
Fe
+ OHReação de Fenton
dano oxidativo no DNA
mutação
transformação
maligna
câncer
morte
celular
envelhecimento
LESÃO NO NÚCLEO E NO CITOPLASMA
Radicais livres
Espécies ativas de O2
Citoplasma (membranas)
carboidratos
proteínas
lípides
membranas
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
perda da integridade
escoamento de Ca++ aumento da suscetibilidade da
e outros íons
membrana ao ataque enzimático
LISE CELULAR
VÁRIOS TIPOS DE LESÕES INDUZIDAS NO DNA POR RADIAÇÃO
IONIZANTE
DÍMERO D E
PIRIMIDINA
QUEBRA DA
FITA SIMPLES
ACÚCAR
AÇÚCAR
PERDA
DA BASE
QUEBRA DE
PONTES DE
HIDROGÊNIO
QUEBRA DA
FITA DUPLA
RADIOSSENSIBILIDADE CELULAR
Radiação ionizante
Células
qualquer tipo de célula do organismo
radiossenbilidade diferente
Fatores que influenciam o efeito da radiação
FATORES FÍSICOS
dose
taxa de dose
fracionamento da dose
exposição aguda ou crônica
tipo de radiação LET
RBE
FATORES QUÍMICOS
agentes modificadores
presença ou não de antioxidante
tensão de O2 (Efeito O2)
teor hídrico
FATORES BIOLÓGICOS
estado proliferativo (Lei de Bergonie e Tribondeau)
fase do ciclo celular
estado fisiológico ou metabólico
constituição genética da célula
FATORES FÍSICOS
DOSE
> dose
> dano biológico
TAXA DE DOSE
Taxa 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
% Letalidade
100
Valores típicos de DL50(30)
para exposição total de
animais a radiação X ou gama
75
50
25
2,5
5,0
7,5
10,0
DL 50 (30)
Dose (Gy)
Típico gráfico para determinação da DL50(30) para
ratos expostos a irradiação de corpo inteiro por
raios X
Organismo
DL50(30) (Gy)
Cão
Porco da Índia
Homem
Camundongo
Macaco
Rato
Coelho
Galinha
Peixe dourado
Sapo
Tartaruga
3,5
4
2,5 - 4,5
5,5
6
7,5
8
6
23
7
15
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
Aumenta o dano no tumor
- reparo do dano subletal
- repopulação das células
- reoxigenação de células tumorais
- redistribuição de células nas fases
radiosensíveis do ciclo celular
TIPO DE RADIAÇÃO - LET e RBE
quantitativamente
Efeito Biológico quantitativamente
independe
depende
tipo de radiação
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
LET = quantidade de E média depositada na matéria
unidade de distância percorrida
(keV/mm)
RADIAÇÕES DE ALTA LET > RADIAÇÕES DE BAIXA LET
(partícula a, nêutrons)
(raios X, raios gama)
RBE =
dose de raios X (250 kV)
dose de outro tipo de radiação
(mesmo efeito biológico)
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
Explicação: R-X: há shoulder
neutron : curva exponencial
R-X - fração de sobrevida de 0,6 = 3 Gy
n
- fração de sobrevida de 0,6 = 1 Gy
RBE vai depender da dose
RBE = 3
LET  100 keV/mm (LET ótima)
RBE atinge o valor máximo
reflete o tamanho do “alvo”
que é similar para todas as
células de mamíferos
densidade de ionização
distância média entre os
eventos ionizantes coincide
com o  da dupla hélice
de DNA (2 nm)
Radiações de LET ótimo:
-n de algumas centenas de keV
-p de baixa E
-partículas a
FATORES QUÍMICOS
EFEITO O2
 Na presença do O2






sistemas biológicos tornam - mais sensíveis à radiação
(hipóxia ou anóxia)
radiação X ou g 2 e 3
Taxa de aumento do O2 (OER) nêutron
1e2
a
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
O2
O2 + R
nível de lesões químicas iniciais
RO2
- age diretamente na molécula - alvo
impede o reparo
- age em nível de radicais livres
responsáveis pelo efeito O2
(peróxidos orgânicos)
O2 potencializa a lesão inicial induzida pela radiação
FATORES CELULARES
ESTADO PROLIFERATIVO
Mais radiossensíveis
1906
células que mais rapidamente se dividem
Bergonie e Tribondeau
RADIOSSENSIB. CELULAR =
atividade mitótica
grau de especialização
FASE DO CICLO CELULAR
células em mitose ou em G2
células na fronteira G1 / S
Hipóteses
mais sensíveis
mais resistentes
variação no nível de compostos contendo grupamentos SH
atividade de enzimas de reparo
configuração 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
espermatogonias
GRUPO 2: células granulosas
mielócitos
células intestinais
célualas germinativas da camada epidérmica da pele
GRUPO 3: células glandulares gástricas
células endoteliais de vasos sanguíneos
GRUPO 4: osteoblastos
osteoclastos
condroblastos
espermatócitos e espermátides
GRUPO 5: granulócitos
osteócitos
espermatozóides
GRUPO 6: fibroblastos
células endoteliais de grandes vasos sanguíneos
eritrócitos
GRUPO 7: fibrócitos
condrócitos
fagócitos
GRUPO 8: células musculares
células nervosas
RADIOSSENSIBILIDADE DE LINFÓCITOS
Características
•
•
•
•
•
normalmente não se dividem
células especializadas e diferenciadas
células altamente radiossensíveis
relação volume nuclear / citoplasma grande
escassos em citoplasma