¿Qué es la radiobiología? Biología de la radiación: definición

La biología de la radiación (también conocida como radiobiología) es una ciencia médica que implica el estudio de los efectos biológicos de la radiación ionizante en los tejidos vivos. Dosimetría de radiación

La biología de la radiación (también conocida como radiobiología ) es una ciencia médica que implica el estudio de los efectos biológicos de la radiación ionizante en los tejidos vivos. La radiación  nos rodea. En, alrededor y sobre el mundo en que vivimos. Es una fuerza de energía natural que nos rodea. Es una parte de nuestro mundo natural que ha estado aquí desde el nacimiento de nuestro planeta. Ya sea que la fuente de radiación sea natural o artificial, ya sea una gran dosis de radiación o una pequeña dosis, habrá algunos  efectos biológicos.. En general, la radiación ionizante es dañina y potencialmente letal para los seres vivos, pero puede tener beneficios para la salud en medicina, por ejemplo, en radioterapia para el tratamiento del cáncer y la tirotoxicosis. Este capítulo resume brevemente las consecuencias a corto y largo plazo que pueden resultar de la exposición a la radiación.

Daño Celular – Radiobiología

Todos  los efectos del daño biológico  comienzan con la consecuencia de interacciones de radiación con los  átomos que  forman las células. Todos los seres vivos están compuestos por una o más células. Cada parte de su cuerpo consiste en células o fue construida por ellas. Aunque tendemos a pensar en los efectos biológicos en términos del efecto de la radiación sobre las células vivas, en realidad, la  radiación ionizante , por definición, interactúa solo con los átomos mediante un proceso llamado ionización. Para la radiación ionizante, la energía cinética de las partículas ( fotones, electrones, etc. ) de la radiación ionizante  es suficiente y la partícula puede ionizar  (para formar iones perdiendo electrones) átomos objetivo para formar iones. La simple radiación ionizante puede eliminar electrones de un átomo.

Hay dos mecanismos por los cuales la radiación finalmente afecta las células. Estos dos mecanismos se denominan comúnmente:

  • Los efectos directos . Los efectos directos son causados ​​por la radiación, cuando la radiación interactúa directamente con los átomos de la   molécula de ADN , o algún otro componente celular crítico para la supervivencia de la célula. La probabilidad de que la radiación interactúe con la molécula de ADN es muy pequeña, ya que estos componentes críticos constituyen una parte tan pequeña de la célula.
  • Los efectos indirectos . Los efectos indirectos son causados ​​por la interacción de la radiación, generalmente con  las moléculas de agua . Cada célula, como es el caso del cuerpo humano, es principalmente agua. La radiación ionizante puede romper los enlaces que mantienen unida la molécula de agua, produciendo  radicales  como hidroxilo OH, anión superóxido O , y otros. Estos radicales pueden contribuir a la destrucción de la célula.

Una gran cantidad de células de cualquier tipo particular se llama  tejido . Si este tejido forma una unidad funcional especializada, se llama órgano. El tipo y la cantidad de células afectadas también es un factor importante. Algunas células y órganos del cuerpo son  más sensibles  a la radiación ionizante  que otras .

La sensibilidad de varios tipos de células a la radiación ionizante es muy alta para los tejidos que consisten en células que se  dividen rápidamente  como las que se encuentran en la médula ósea, el estómago, los intestinos, los órganos reproductores masculinos y femeninos y los fetos en desarrollo. Esto se debe a que las células en división requieren información de ADN correcta para que la descendencia de la célula sobreviva. Una interacción directa de la radiación con una célula activa podría provocar la muerte o la mutación de la célula, mientras que una interacción directa con el ADN de una célula inactiva tendría menos efecto.

Como resultado, las células vivas se pueden clasificar según su tasa de reproducción, lo que también indica su relativa sensibilidad a la radiación. Como resultado, las células que se reproducen activamente son más sensibles a la radiación ionizante que las células que forman el tejido de la piel, los riñones o el hígado. Las células nerviosas y musculares son las más lentas para regenerarse y son las células menos sensibles.

factor de ponderación de tejidos - ICRPLa sensibilidad de los diversos órganos del cuerpo humano se correlaciona con la sensibilidad relativa de las células de las que están compuestos. En la práctica, esta sensibilidad está representada por el factor de ponderación del  tejido ,  T , que es el factor por el cual la  dosis equivalente  en un tejido u órgano T se pondera para representar la contribución relativa de ese tejido u órgano al detrimento total de la salud resultante de irradiación uniforme del cuerpo (ICRP 1991b).

Si una persona se irradia solo parcialmente, la dosis dependerá en gran medida del tejido que se irradió. Por ejemplo, una dosis gamma de 10 mSv para todo el cuerpo y una dosis de 50 mSv para la tiroides es lo mismo, en términos de riesgo, que una dosis para todo el cuerpo de 10 + 0.04 x 50 = 12 mSv.

 

Radiación alta-baja y baja-baja

Factores de ponderación de la radiación - actual - ICRP
Fuente: ICRP Publ. 103: Las Recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica

Como se escribió, cada tipo de radiación  interactúa con la materia de una manera diferente . Por ejemplo, las partículas cargadas con altas energías pueden ionizar átomos directamente. Las partículas alfa  son bastante masivas y llevan una carga positiva doble, por lo que tienden a viajar solo una corta distancia y no penetran demasiado en el tejido, si es que lo hacen. Sin embargo, las partículas alfa depositarán su energía en un volumen más pequeño (posiblemente solo unas pocas células si entran en un cuerpo) y causarán más daño a esas pocas células.

Las partículas beta  (electrones) son mucho más pequeñas que las partículas alfa. Llevan una sola carga negativa. Son más penetrantes que las partículas alfa. Pueden viajar varios metros pero depositan menos energía en cualquier punto a lo largo de sus caminos que las partículas alfa. Esto significa que las partículas beta tienden a dañar más células, pero con menos daño a cada una. Por otro lado, las partículas eléctricamente neutras interactúan solo indirectamente, pero también pueden transferir parte o la totalidad de sus energías a la materia.

Sin duda, simplificaría las cosas si  los efectos biológicos  de la radiación fueran directamente proporcionales a la  dosis absorbida . Desafortunadamente,  los efectos biológicos  dependen también de la forma en que la dosis absorbida se distribuye a lo largo de la trayectoria de la radiación. Los estudios han demostrado que la radiación alfa y de neutrones causa un daño biológico mayor para una deposición de energía dada por kg de tejido que la radiación gamma. Se descubrió que los efectos biológicos de cualquier radiación  aumentan  con la  transferencia de energía lineal  (LET). En resumen, el daño biológico de la radiación de  alto LET  ( partículas alfa ,  protones  o  neutrones) es mucho mayor que el de la radiación de  baja LET  ( rayos gamma ). Esto se debe a que el tejido vivo puede reparar más fácilmente el daño de la radiación que se extiende sobre un área grande que la que se concentra en un área pequeña. Por supuesto, a niveles muy altos de exposición, los rayos gamma pueden causar mucho daño a los tejidos.

Debido a que se produce más daño biológico por la misma dosis física (es decir, la misma energía depositada por unidad de masa de tejido), un  gris  de radiación alfa o de neutrones es más dañino que un gris de radiación gamma. Este hecho de que las radiaciones de diferentes tipos (y energías) dan diferentes efectos biológicos para la misma dosis absorbida se describe en términos de factores conocidos como la  efectividad biológica relativa  (RBE) y el factor de ponderación de la  radiación  (wR).

Dosis aguda y dosis crónica

Los efectos biológicos de la radiación  y sus consecuencias dependen en gran medida del nivel de  dosis  obtenido. En radiobiología, la tasa de dosis es una medida de la intensidad de la dosis de radiación (o fuerza). Las dosis bajas son comunes en la vida cotidiana. En los siguientes puntos hay algunos ejemplos de exposición a la radiación, que se pueden obtener de varias fuentes.

  • 05 µSv  – Dormir al lado de alguien
  • 09 µSv  : vivir a 30 millas de una planta de energía nuclear durante un año
  • 1 µSv  – Comer una banana
  • 3 µSv  : vivir dentro de 50 millas de una planta de energía de carbón durante un año
  • 10 µSv  : dosis diaria promedio recibida del fondo natural
  • 20 µSv  – Radiografía de tórax

Desde el punto de vista de las consecuencias biológicas, es muy importante distinguir entre las dosis recibidas durante  períodos cortos  y  prolongados . Por lo tanto, los efectos biológicos de la radiación generalmente se dividen en dos categorías.

  • Las dosis aguda . Una » dosis aguda » ( dosis de alto nivel a corto plazo) es aquella que ocurre durante un período de tiempo corto y finito, es decir, dentro de un día.
  • Las dosis crónica . Una » dosis crónica » ( dosis de bajo nivel a largo plazo) es una dosis que continúa durante un período prolongado de tiempo, es decir, semanas y meses, de modo que se describe mejor por una tasa de dosis.

Las dosis altas tienden a matar células, mientras que las dosis bajas tienden a dañarlas o cambiarlas. Las dosis altas pueden causar quemaduras de radiación visualmente dramáticas y / o muerte rápida a través del  síndrome de radiación aguda . Es poco probable que las dosis agudas por debajo de 250 mGy tengan efectos observables. Las dosis agudas de aproximadamente 3 a 5 Gy tienen un 50% de posibilidades de matar a una persona algunas semanas después de la exposición, si una persona no recibe tratamiento médico.

Las dosis bajas distribuidas durante largos períodos de tiempo no causan un problema inmediato a ningún órgano del cuerpo. Los efectos de bajas dosis de radiación ocurren a nivel celular y los resultados pueden no observarse durante muchos años. Además, algunos estudios demuestran que la mayoría de los tejidos humanos exhiben una tolerancia más pronunciada a los efectos de la radiación de baja LET en caso de una exposición prolongada en comparación con una exposición única a una dosis similar.

Efectos deterministas y estocásticos

En radiobiología, la mayoría de los efectos adversos para la salud de la exposición a la radiación generalmente se dividen en dos grandes clases:

  • Los efectos deterministas son efectos umbral de salud, que están relacionados directamente con la dosis de radiación absorbida y la gravedad del efecto aumenta a medida que aumenta la dosis.
  • Los efectos estocásticos ocurren por casualidad, generalmente sin un nivel umbral de dosis. La probabilidad de aparición de efectos estocásticos es proporcional a la dosis, pero la gravedad del efecto es independiente de la dosis recibida.

Efectos deterministas

En radiobiología, los efectos deterministas (o efectos no estocásticos sobre la salud) son efectos sobre la salud, que están relacionados directamente con la dosis de radiación absorbida y la gravedad del efecto aumenta a medida que aumenta la dosis. Los efectos deterministas tienen un umbral por debajo del cual no se producen efectos clínicos detectables. El umbral puede ser muy bajo (del orden de magnitud de 0.1 Gy o superior) y puede variar de persona a persona. Para dosis entre 0.25 Gy y 0.5 Gy se pueden detectar ligeros cambios en la sangre mediante evaluaciones médicas y para dosis entre 0.5 Gy y 1.5 Gy se notarán cambios en la sangre y se presentan síntomas de náuseas, fatiga y vómitos.

Una vez que se ha excedido el umbral, la gravedad de un efecto aumenta con la dosis. La razón de la presencia de esta dosis umbral es que el daño por radiación (mal funcionamiento grave o muerte) de una población crítica de células (dosis altas tienden a matar células) en un tejido dado necesita ser sostenido antes de que la lesión se exprese en una forma clínicamente relevante . Por lo tanto, los efectos deterministas también se denominan reacción tisular . También se denominan efectos no estocásticos para contrastar con efectos estocásticos casuales (p. Ej., Inducción de cáncer).

Los efectos deterministas no son necesariamente más o menos graves que los efectos estocásticos. Las dosis altas pueden causar quemaduras de radiación visualmente dramáticas y / o muerte rápida a través del síndrome de radiación aguda . Es poco probable que las dosis agudas por debajo de 250 mGy tengan efectos observables. Las dosis agudas de aproximadamente 3 a 5 Gy tienen un 50% de posibilidades de matar a una persona algunas semanas después de la exposición, si una persona no recibe tratamiento médico. Los efectos deterministas en última instancia pueden conducir a una molestia temporal o también a una fatalidad. Ejemplos de efectos deterministas:

Ejemplos de efectos deterministas son :

  • Síndrome de radiación aguda, por radiación aguda de todo el cuerpo.
  • Quemaduras por radiación, de radiación a una superficie corporal particular
  • Tiroiditis inducida por radiación, un posible efecto secundario del tratamiento con radiación contra el hipertiroidismo
  • Síndrome de radiación crónica, por radiación a largo plazo.
  • Lesión pulmonar inducida por la radiación, por ejemplo, de radioterapia a los pulmones.

Dosis letales de radiación

La dosis letal de radiación (LD) es una indicación de la cantidad letal de radiación. En la protección radiológica, generalmente se usa la dosis letal media , LD XY . Por ejemplo, la dosis de radiación que se espera que cause la muerte al 50% de las personas irradiadas dentro de los 30 días es LD 50/30 . LD 1 es la dosis que se espera que cause la muerte al 1% de las personas irradiadas, en consecuencia, LD 99 es letal para todas las personas (99%) irradiadas. También es muy importante, si una persona recibe algún tratamiento médico o no. Cuanto mayor es una dosis de radiación aguda, mayor es la posibilidad de que mate al individuo. Para un adulto sano, el LD 50 se estima en algún lugar entre 3 y 5 Gy.

  • 2.5 Sv : dosis que mata a un humano con un riesgo del 1% (LD 1 ), si la dosis se recibe durante un período muy corto .
  • 5 Sv : dosis que mata a un humano con un riesgo del 50% en 30 días (LD 50/30 ), si la dosis se recibe durante un período muy corto . La causa de la muerte será la pérdida de la función de la médula ósea.
  • 8 Sv : dosis que mata a un humano con un riesgo del 99% (LD 99 ), si la dosis se recibe durante un período muy corto . Alrededor de 10 Gy, puede producirse una inflamación aguda de los pulmones y provocar la muerte.

Los datos de dosis letales dados anteriormente se aplican a dosis gamma agudas administradas en muy poco tiempo, por ejemplo, unos pocos minutos. Se requiere más dosis para producir los efectos enumerados anteriormente, si la dosis se recibe durante un período de horas o más.

Efectos estocásticos

En radiobiología, los efectos estocásticos de la radiación ionizante ocurren por casualidad, generalmente sin un nivel umbral de dosis. La probabilidad de aparición de efectos estocásticos es proporcional a la dosis, pero la gravedad del efecto es independiente de la dosis recibida. Los efectos biológicos de la radiación en las personas pueden agruparse en efectos somáticos y hereditarios . Los efectos somáticos son los que sufre la persona expuesta. Los efectos hereditarios son aquellos sufridos por la descendencia del individuo expuesto. El riesgo de cáncer generalmente se menciona como el principal efecto estocástico de la radiación ionizante, pero también los trastornos hereditarios son los efectos estocásticos.

De acuerdo con ICRP:

(83) Sobre la base de estos cálculos, la Comisión propone coeficientes de probabilidad nominales para el riesgo de cáncer ajustado en detrimento de 5,5 x 10 -2 Sv -1 para toda la población y 4,1 x 10 -2 Sv -1 para trabajadores adultos. Para efectos heredables, el riesgo nominal ajustado al detrimento en toda la población se estima en 0.2 x 10 -2 Sv -1 y en trabajadores adultos como 0.1 x 10 -2 Sv -1 .

Referencia especial: CIPR, 2007. Recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica. Publicación 103 de la CIPR. Ann. ICRP 37 (2-4).

La unidad SI para dosis efectiva , el sievert , representa el efecto biológico equivalente del depósito de un joule de energía de rayos gamma en un kilogramo de tejido humano. Como resultado, un sievert representa un 5.5% de posibilidades de desarrollar cáncer. Tenga en cuenta que la dosis efectiva no pretende ser una medida de los efectos deterministas para la salud, que es la gravedad del daño tisular agudo que seguramente ocurrirá, que se mide por la cantidad de dosis absorbida.

Hay tres categorías generales de efectos estocásticos que resultan de la exposición a bajas dosis de radiación. Estos son:

  • Los efectos genéticos . El efecto genético es sufrido por la descendencia del individuo expuesto. Implica la mutación de células muy específicas, a saber, los espermatozoides o los óvulos. La radiación es un ejemplo de un agente mutagénico físico. Tenga en cuenta que también hay muchos agentes químicos, así como agentes biológicos (como los virus) que causan mutaciones. Un hecho muy importante para recordar es que la radiación aumenta la tasa de mutación espontánea, pero no produce nuevas mutaciones.
  • Los efectos somáticos . Los efectos somáticos son los que sufre la persona expuesta . El impacto más común de la irradiación es la inducción estocástica del cáncer con un período latente de años o décadas después de la exposición. Como el cáncer es el resultado primario, a veces se le llama efecto cancerígeno. La radiación es un ejemplo de un carcinógeno físico, mientras que los cigarrillos son un ejemplo de un agente químico cancerígeno. Los virus son ejemplos de agentes cancerígenos biológicos.
  • Los efectos en el útero implican la producción de malformaciones en embriones en desarrollo. Sin embargo, este es realmente un caso especial del efecto somático, ya que el embrión / feto es el que está expuesto a la radiación.

La mayoría de los efectos somáticos como resultado de la exposición a la radiación se producen de manera estocástica. El modelo más ampliamente aceptado postula que la incidencia de cánceres debido a la radiación ionizante aumenta linealmente con la dosis de radiación efectiva a una tasa de 5.5% por sievert . Este modelo se conoce como el modelo lineal sin umbral (LNT) . Este modelo supone que no hay un punto umbral y el riesgo aumenta linealmente con una dosis. Si este modelo lineal es correcto, la radiación de fondo natural es la fuente de radiación más peligrosa para la salud pública en general, seguida de imágenes médicas como un segundo lugar cercano. El LNT no es universalmente aceptadoalgunos proponen una relación adaptativa dosis-respuesta donde las dosis bajas son protectoras y las dosis altas son perjudiciales. Se debe enfatizar que varias organizaciones no están de acuerdo con el uso del modelo lineal sin umbral para estimar el riesgo de exposición a la radiación ambiental y ocupacional de bajo nivel.

Radiobiología y límites de dosis

En la protección radiológica, los límites de dosis se establecen para limitar los efectos estocásticos a un nivel aceptable y para evitar completamente los efectos deterministas . Tenga en cuenta que los efectos estocásticos son los que surgen del azar: cuanto mayor es la dosis, más probable es el efecto. Los efectos deterministas son aquellos que normalmente tienen un umbral: por encima de esto, la gravedad del efecto aumenta con la dosis. Límites de dosisson un componente fundamental de la protección radiológica, y el incumplimiento de estos límites es contrario a la regulación de la radiación en la mayoría de los países. Tenga en cuenta que los límites de dosis descritos en este artículo se aplican a las operaciones de rutina. No se aplican a una situación de emergencia cuando la vida humana está en peligro. No se aplican en situaciones de exposición de emergencia en las que un individuo intenta evitar una situación catastrófica.

Los límites se dividen en dos grupos, el público y los trabajadores ocupacionalmente expuestos. Según la ICRP, la exposición ocupacional se refiere a toda exposición incurrida por los trabajadores en el curso de su trabajo, con la excepción de

  1. exposiciones excluidas y exposiciones de actividades exentas que involucran radiación o fuentes exentas
  2. cualquier exposición médica
  3. La radiación de fondo natural local normal.

La siguiente tabla resume los límites de dosis para los trabajadores ocupacionalmente expuestos y para el público:

límites de dosis - radiación
Tabla de límites de dosis para trabajadores ocupacionalmente expuestos y para el público.
Fuente de datos: ICRP, 2007. Recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica. Publicación 103 de la CIPR. Ann. ICRP 37 (2-4).

De acuerdo con la recomendación de la ICRP en su declaración sobre las reacciones tisulares del 21 de abril de 2011, el límite de dosis equivalente para el cristalino del ojo para exposición ocupacional en situaciones de exposición planificadas se redujo de 150 mSv / año a 20 mSv / año, en promedio durante períodos definidos de 5 años, sin dosis anual en un solo año superior a 50 mSv.

Los límites de la dosis efectiva son para la suma de las dosis efectivas relevantes de la exposición externa en el período de tiempo especificado y la dosis efectiva comprometida de las ingestas de radionucleidos en el mismo período. Para los adultos, la dosis efectiva comprometida se calcula para un período de 50 años después de la ingesta, mientras que para los niños se calcula para el período hasta los 70 años. El límite efectivo de dosis para todo el cuerpo de 20 mSv es un valor promedio durante cinco años. El límite real es de 100 mSv en 5 años, con no más de 50 mSv en un año.

……………………………………………………………………………………………………………………………….

Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.net o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.