Biologia de radiação

A Radiobiologia (também: radiobiologia ) examina os efeitos biológicos da radiação ionizante , nomeadamente os raios alfa, beta e gama e os raios X nos organismos vivos. Além da doença aguda da radiação (por exemplo, como resultado de acidentes com usinas nucleares ), o foco principal da pesquisa são os efeitos crônicos no tumor e nos tecidos normais em conexão com a terapia de radiação .

Efeito nas células

Radiação ionizante que afeta as células do corpo por ionização e excitação de moléculas. Devido à concentração muito maior, não são os poucos impactos diretos nas macromoléculas que são importantes, mas sim a formação de radicais na água do tecido ( radiólise ). Os radicais oxidam macromoléculas celulares importantes e interrompem sua função (efeito de radiação indireta) .

Apenas a parte da energia irradiada absorvida no tecido é eficaz. A radiação pode ser caracterizada pela quantidade de energia que uma partícula de radiação emite por micrômetro ( transferência de energia linear LET, unidade k eV / μm). Por exemplo, os raios X têm um LET de 2,5 keV / μm, nêutrons rápidos de> 20 keV / μm. Na biologia da radiação, a eficácia biológica relativa RBW é usada em seu lugar, um fator que indica a nocividade da radiação em comparação com os raios-X de 250 kV. Na proteção contra radiação , aproximadamente estimada, fatores de qualidade de número inteiro são usados ​​em vez do RBW exato.

Danos por radiação em biomoléculas, como proteínas e lipídios, podem ser tolerados sem problemas; seus efeitos nas funções celulares são mínimos. Em contrapartida, reações radicais com o DNA (material genético) às vezes levam à morte ou degeneração celular, uma vez que cada célula possui apenas duas cópias e os mecanismos de reparo têm capacidade limitada. Os cromossomos no núcleo da célula são o principal alvo da radiação biológica. Para cada energia absorvida por Gray , ocorrem aproximadamente 1000 quebras de fita simples e 40 de fita dupla em cada célula , quase todas, no entanto, reparáveis.

Danos ao DNA não reparados resultam em distúrbios da função celular, mutação ou morte da célula afetada. A maioria dos efeitos de radiação só pode ser detectada a partir de uma certa dose mínima, ou seja, a radiação na ordem de magnitude da radiação de fundo natural é considerada inofensiva a este respeito. Uma vez que teoricamente uma única célula mutada pode se transformar em câncer ou causar uma malformação embrionária , não há dose mínima conhecida para esse dano por radiação estocástica . Presume-se atualmente uma relação linear dose-resposta, para raios-X z. B. 5% de mortes por câncer por Sievert ; no entanto, essas informações são objeto de intenso debate.

Além disso a mutação e a morte celular, as células de mamífero também sofrer atrasos no ciclo celular após a irradiação , e as células estaminais e as células cancerosas que eram previamente capazes de se dividir indefinidamente, podem diferenciar-se e perder a sua clonagem função após a irradiação . Além da morte celular direta , as curvas experimentais de sobrevivência também registram essa morte celular clonogênica , que desempenha um papel importante na radioterapia . Eles sempre têm uma forma característica em forma de S que pode ser descrita matematicamente com uma função de modelo quadrático-linear .

Efeito no tecido

Biólogo de radiação em 1944
Radioterapia moderna

Tecidos diferentes são sensíveis à radiação de maneira diferente. A proporção de células em divisão, o fluxo sanguíneo e a concentração de oxigênio contribuem para isso . Quanto mais baixa a pressão parcial de oxigênio no tecido, menos sensível ele é à radiação ionizante. Portanto, é recomendado na radioterapia parar de fumar e compensar qualquer anemia antes de iniciar o tratamento.

A organização proliferativa do tecido também é importante: se ele tem uma fração de células-tronco estritamente definida a partir da qual as células mortas são substituídas (o chamado tecido hierárquico ou alternado , como células do sangue ou mucosa intestinal ), então, alguns dias depois dessas células-tronco foram destruídos, todo o tecido ou tecido foi removido. O órgão perece. Os tecidos com proliferação flexível não têm uma separação clara de células-tronco e funcionais (por exemplo, fígado, pulmões, cérebro) e podem se recuperar melhor de danos subletais.

Os tecidos alternados reagem precocemente (horas a um máximo de 6 meses) após a irradiação. Os tecidos flexíveis podem desenvolver reações tardias (por definição, são efeitos da radiação que persistem após seis meses). Como a maioria dos órgãos é composta de tecidos diferentes ( estroma , parênquima , vasos sanguíneos, etc.), a situação é mais complicada na prática; cada órgão pode ser permanentemente danificado pelos efeitos de longo prazo da radiação, embora em graus diferentes.

A estrutura macroscópica dos órgãos também desempenha um papel: órgãos com estrutura linear, como o intestino delgado ou a medula espinhal, correm muito mais risco do que órgãos com estrutura paralela, como a medula espinhal . B. glândulas. Com base nos efeitos de longo prazo, que são muito mais temidos do que os primeiros efeitos da radiação, as doses de tolerância foram definidas para a maioria dos órgãos e tecidos . Na literatura, os TD 5/5 são geralmente dados, ou seja , a dose na qual um certo dano ocorre em 5% das pessoas de teste em 5 anos. Por exemplo, a TD 5/5 da lente para lente opacidade é de 10 Gy (Emami 1991, PMID 2032882 ). Existem catálogos padronizados globalmente de critérios para descrever os efeitos da radiação em tecidos normais ( CTC para efeitos de radiação iniciais, LENT-SOMA para efeitos tardios).

Efeito em tumores

Relações dose-efeito em diferentes taxas de dose

A sensibilidade dos tumores à radiação ionizante é geralmente maior do que a dos tecidos saudáveis. Eles são caracterizados por um tempo de ciclo celular mais curto (<2 dias) e uma maior proporção de células em divisão (fração de crescimento > 40%). A relação dose-efeito é em forma de S ou sigma, assim como em tecidos normais, mas deslocada na direção da dose mais baixa (para a esquerda). Matematicamente, os tecidos tumorais têm uma razão α / β mais alta (α e β são os coeficientes da equação do modelo linear quadrado).

A tolerância à radiação é maior se a taxa de dose (= dose por unidade de tempo) for baixa ou se a radiação for distribuída por vários pequenos tratamentos. Isso se deve às reações do tecido que começam imediatamente após a exposição à radiação, que o biólogo californiano Hubert Rodney Withers resumiu como 4 Rs em 1975:

  • Reparo (correção enzimática de quebras de fita simples e dupla e erros de base no DNA)
  • Redistribuição (continuação dos ciclos celulares interrompidos para que as células de todas as fases estejam novamente disponíveis)
  • Reoxigenação (aumento do suprimento de oxigênio no tecido)
  • Repovoamento (crescimento celular)

Um a dois tratamentos por dia são comuns na radioterapia. Deve haver um intervalo de pelo menos seis horas entre os tratamentos. Os tumores de crescimento rápido são mais acessíveis à terapia de radiação encurtada (apenas o tempo total de tratamento é importante, não a dose por tratamento). Por outro lado, a sensibilidade de um tumor em desintegração com má circulação sanguínea é reduzida por causa da hipóxia . Além disso, os tecidos normais são sempre irradiados, os quais, devido à sua baixa razão α / β, são particularmente sensíveis aos efeitos de longo prazo e devem ser irradiados mais lentamente com doses diárias menores. Na prática, portanto, um compromisso deve ser feito que depende do tumor específico e das possibilidades técnicas disponíveis.

metodologia

A pesquisa radiobiológica trabalha com métodos biológicos moleculares , citogenéticos e citométricos em diferentes organismos e sistemas celulares. A mutagênese induzida por radiação e seu reparo são investigados no nível do DNA .

Outros tópicos em biologia de radiação

Biólogos de radiação bem conhecidos

Veja também

literatura

  • Eric J. Hall: Radiobiology for the Radiologist . Philadelphia: Lippincott, Williams & Wilkins, 2000 (5th. Ed.), ISBN 0-7817-2649-2
  • Thomas Herrmann, Michael Baumann, Wolfgang Dörr: Resumo da biologia da radiação clínica. Urban & Fischer Verlag / Elsevier GmbH; 4ª edição de 2006, ISBN 3-437-23960-0
  • Hedi Fritz-Niggli: Radiation Hazard / Radiation Protection . Verlag Hans Huber, 4ª edição 1997
  • G. Gordon Steel: Basic Clinical Radiobiology . Londres: Arnold, 1997 (2ª ed.), ISBN 0-340-70020-3

Links da web

Evidência individual

  1. ↑ Michael Wannenmacher, Jürgen Debus, Frederik Wenz: Radioterapia . Springer, 3 de novembro de 2006, ISBN 978-3-540-22812-7 , pp. 279-82 (acessado em 23 de fevereiro de 2013).
  2. ^ Ralph Graeub: The Petkau Effect , Verlag Zytglogge Gümligen, ISBN 3-7296-0222-5