O que é Radiobiologia – Biologia das Radiações – Definição

A biologia da radiação (também conhecida como radiobiologia ) é uma ciência médica que envolve o estudo dos efeitos biológicos da radiação ionizante nos tecidos vivos. A radiação  está à nossa volta. Dentro, ao redor e acima do mundo em que vivemos. É uma força de energia natural que nos rodeia. É uma parte do nosso mundo natural que está aqui desde o nascimento do nosso planeta. Se a fonte de radiação é natural ou artificial, seja uma grande dose de radiação ou uma pequena dose, haverá alguns  efeitos biológicos. Em geral, a radiação ionizante é prejudicial e potencialmente letal para os seres vivos, mas pode trazer benefícios à saúde na medicina, por exemplo, na terapia de radiação para o tratamento de câncer e tireotoxicose. Este capítulo resume brevemente as conseqüências de curto e longo prazo que podem resultar da exposição à radiação.

Danos Celulares – Radiobiologia

Todos  os efeitos de danos biológicos  começam com a conseqüência das interações de radiação com os  átomos que  formam as células. Todos os seres vivos são compostos de uma ou mais células. Cada parte do seu corpo consiste em células ou foi construída por elas. Embora tendamos a pensar nos efeitos biológicos em termos do efeito da radiação nas células vivas, na realidade, a  radiação ionizante , por definição, interage apenas com os átomos por um processo chamado ionização. Para radiação ionizante, a energia cinética das partículas ( fótons, elétrons, etc. ) da radiação ionizante  é suficiente e a partícula pode ionizar  (formar íons pela perda de elétrons) atingir átomos para formar íons. A radiação simplesmente ionizante pode derrubar elétrons de um átomo.

Existem dois mecanismos pelos quais a radiação afeta as células. Esses dois mecanismos são comumente chamados:

• Efeitos diretos . Os efeitos diretos são causados ​​pela radiação, quando a radiação interage diretamente com os átomos da   molécula de DNA ou algum outro componente celular crítico para a sobrevivência da célula. A probabilidade da radiação interagir com a molécula de DNA é muito pequena, pois esses componentes críticos compõem uma parte tão pequena da célula.
• Efeitos indiretos . Efeitos indiretos são causados ​​pela interação da radiação geralmente com  moléculas de água . Cada célula, como é o caso do corpo humano, é principalmente água. A radiação ionizante pode quebrar as ligações que seguram a molécula de água em conjunto, a produção de  radicais  , tais como o hidroxilo OH, anião superóxido S ₂ ^– e outros. Esses radicais podem contribuir para a destruição da célula.

Um grande número de células de qualquer tipo específico é chamado de  tecido . Se este tecido forma uma unidade funcional especializada, é chamado de órgão. O tipo e o número de células afetadas também são um fator importante. Algumas células e órgãos do corpo são  mais sensíveis  à radiação ionizante do  que outros .

A sensibilidade de vários tipos de células à radiação ionizante é muito alta para os tecidos constituídos por células que se  dividem rapidamente  como as encontradas na medula óssea, estômago, intestinos, órgãos reprodutores masculinos e femininos e fetos em desenvolvimento. Isso ocorre porque as células em divisão requerem informações corretas de DNA para que a prole da célula sobreviva. Uma interação direta da radiação com uma célula ativa pode resultar na morte ou mutação da célula, enquanto uma interação direta com o DNA de uma célula inativa teria menos efeito.

Como resultado, as células vivas podem ser classificadas de acordo com sua taxa de reprodução, o que também indica sua relativa sensibilidade à radiação. Como resultado, as células que se reproduzem ativamente são mais sensíveis à radiação ionizante do que as células que compõem a pele, rim ou fígado. As células nervosas e musculares são as mais lentas para se regenerar e são as células menos sensíveis.

A sensibilidade dos vários órgãos do corpo humano se correlaciona com a sensibilidade relativa das células das quais são compostas. Na prática, esta sensibilidade é representado pelo  factor de ponderação tecido ,  w _T , que é o factor pelo qual a  dose equivalente  de um tecido ou órgão T é ponderado para representar a contribuição relativa de que o tecido ou órgão para o detrimento de saúde total resultante irradiação uniforme do corpo (ICRP 1991b).

Se uma pessoa é irradiada apenas parcialmente, a dose dependerá fortemente do tecido que foi irradiado. Por exemplo, uma dose gama de 10 mSv para todo o corpo e uma dose de 50 mSv para a tireóide é a mesma, em termos de risco, que uma dose para todo o corpo de 10 + 0,04 x 50 = 12 mSv.

Radiação High-LET e Low-LET

Como foi escrito, cada tipo de radiação  interage com a matéria de uma maneira diferente . Por exemplo, partículas carregadas com altas energias podem ionizar diretamente átomos. As partículas alfa  são bastante maciças e carregam uma carga positiva dupla, de modo que tendem a percorrer apenas uma curta distância e não penetram muito no tecido, se é que o fazem. No entanto, as partículas alfa depositam sua energia em um volume menor (possivelmente apenas algumas células se entrarem no corpo) e causam mais danos a essas poucas células.

As partículas beta  (elétrons) são muito menores que as partículas alfa. Eles carregam uma única carga negativa. Eles são mais penetrantes que as partículas alfa. Eles podem viajar vários metros, mas depositam menos energia em qualquer ponto do caminho do que as partículas alfa. Isso significa que as partículas beta tendem a danificar mais células, mas com menos danos a cada uma. Por outro lado, partículas eletricamente neutras interagem apenas indiretamente, mas também podem transferir parte ou todas as suas energias para o assunto.

Certamente simplificaria as coisas se  os efeitos biológicos  da radiação fossem diretamente proporcionais à  dose absorvida . Infelizmente,  os efeitos biológicos  dependem também da maneira como a dose absorvida é distribuída ao longo do caminho da radiação. Estudos mostraram que a radiação alfa e nêutron causa maior dano biológico para uma dada deposição de energia por kg de tecido do que a radiação gama. Foi descoberto que os efeitos biológicos de qualquer radiação  aumentam  com a  transferência linear de energia  (LET). Em resumo, o dano biológico da radiação de  alta LET  ( partículas alfa ,  prótons  ou  nêutrons) é muito maior do que o da radiação de  baixa LET  ( raios gama ). Isso ocorre porque o tecido vivo pode reparar mais facilmente os danos causados ​​pela radiação que se espalha por uma área grande do que aquela que está concentrada em uma área pequena. Obviamente, em níveis muito altos de exposição, os raios gama ainda podem causar muitos danos aos tecidos.

Como mais danos biológicos são causados ​​pela mesma dose física (ou seja, a mesma energia depositada por unidade de massa de tecido), um  cinza  de radiação alfa ou nêutron é mais prejudicial do que um cinza de radiação gama. Esse fato de que radiações de diferentes tipos (e energias) produzem efeitos biológicos diferentes para a mesma dose absorvida é descrito em termos de fatores conhecidos como  efetividade biológica relativa  (RBE) e  fator de ponderação de radiação  (wR).

Dose Aguda e Dose Crônica

Os efeitos biológicos da radiação  e suas conseqüências dependem fortemente do nível da taxa de  dose  obtida. Na radiobiologia, a taxa de dose é uma medida da intensidade (ou força) da dose de radiação. Doses de baixo nível são comuns na vida cotidiana. Nos pontos a seguir, existem alguns exemplos de exposição à radiação, que podem ser obtidos de várias fontes.

• 05 µSv  – Dormindo ao lado de alguém
• 09 µSv  – Morando a 30 milhas de uma usina nuclear por um ano
• 1 µSv  – Comendo uma banana
• 3 µSv  – Morando a 80 quilômetros de uma usina a carvão por um ano
• 10 µSv  – Dose média diária recebida do fundo natural
• 20 µSv  – radiografia de tórax

Do ponto de vista das consequências biológicas, é muito importante distinguir entre doses recebidas em  períodos curtos  e  prolongados . Portanto, os efeitos biológicos da radiação são tipicamente divididos em duas categorias.

• Doses agudas . Uma “ dose aguda ” ( dose de alto nível a curto prazo) é aquela que ocorre durante um período curto e finito de tempo, ou seja, dentro de um dia.
• Doses crônicas . Uma “ dose crônica ” ( dose prolongada de baixo nível) é uma dose que continua por um período prolongado de tempo, isto é, semanas e meses, para que seja melhor descrita por uma taxa de dose.

Altas doses tendem a matar células, enquanto doses baixas tendem a danificá-las ou alterá-las. Altas doses podem causar queimaduras de radiação visualmente dramáticas e / ou fatalidade rápida através da  síndrome da radiação aguda . É improvável que doses agudas abaixo de 250 mGy tenham efeitos observáveis. Doses agudas de cerca de 3 a 5 Gy têm 50% de chance de matar uma pessoa algumas semanas após a exposição, se uma pessoa não receber tratamento médico.

Doses baixas espalhadas por longos períodos de tempo não causam problemas imediatos a nenhum órgão do corpo. Os efeitos de baixas doses de radiação ocorrem no nível da célula e os resultados podem não ser observados por muitos anos. Além disso, alguns estudos demonstram que a maioria dos tecidos humanos exibe uma tolerância mais pronunciada aos efeitos da radiação de baixa letalidade em caso de exposição prolongada em comparação com uma exposição única a uma dose semelhante.

Efeitos determinísticos e estocásticos

Na radiobiologia, os efeitos mais adversos à saúde da exposição à radiação são geralmente divididos em duas grandes classes:

• Efeitos determinísticos são efeitos limiares à saúde, diretamente relacionados à dose de radiação absorvida e a gravidade do efeito aumenta à medida que a dose aumenta.
• Os efeitos estocásticos ocorrem por acaso, geralmente ocorrendo sem um nível limite de dose. A probabilidade de ocorrência de efeitos estocásticos é proporcional à dose, mas a gravidade do efeito é independente da dose recebida.

Efeitos determinísticos

Na radiobiologia, efeitos determinísticos (ou efeitos não estocásticos à saúde) são efeitos na saúde, diretamente relacionados à dose de radiação absorvida e a gravidade do efeito aumenta à medida que a dose aumenta. Os efeitos determinísticos têm um limiar abaixo do qual não ocorrem efeitos clínicos detectáveis. O limite pode ser muito baixo (da ordem de magnitude de 0,1 Gy ou superior) e pode variar de pessoa para pessoa. Para doses entre 0,25 Gy e 0,5 Gy, pequenas alterações no sangue podem ser detectadas por avaliações médicas e para doses entre 0,5 Gy e 1,5 Gy serão observadas alterações no sangue e ocorrerão sintomas de náusea, fadiga e vômito.

Uma vez excedido o limiar, a gravidade de um efeito aumenta com a dose. A razão para a presença dessa dose limiar é que o dano por radiação (mau funcionamento grave ou morte) de uma população crítica de células (altas doses tendem a matar células) em um determinado tecido precisa ser sustentado antes que a lesão seja expressa de uma forma clinicamente relevante . Portanto, efeitos determinísticos também são denominados reação tecidual . Eles também são chamados de efeitos não estocásticos para contrastar com efeitos estocásticos parecidos ao acaso (por exemplo, indução de câncer).

Efeitos determinísticos não são necessariamente mais ou menos graves que efeitos estocásticos. Altas doses podem causar queimaduras de radiação visualmente dramáticas e / ou fatalidade rápida através da síndrome da radiação aguda . É improvável que doses agudas abaixo de 250 mGy tenham efeitos observáveis. Doses agudas de cerca de 3 a 5 Gy têm 50% de chance de matar uma pessoa algumas semanas após a exposição, se uma pessoa não receber tratamento médico. Efeitos determinísticos podem levar a um incômodo temporário ou também a uma fatalidade. Exemplos de efeitos determinísticos:

Exemplos de efeitos determinísticos são :

• Síndrome de radiação aguda, por radiação aguda do corpo inteiro
• A radiação queima, da radiação para uma superfície corporal específica
• Tireoidite induzida por radiação, um efeito colateral potencial do tratamento com radiação contra o hipertireoidismo
• Síndrome de radiação crônica, a partir de radiação de longo prazo.
• Lesão pulmonar induzida por radiação, por exemplo, terapia de radiação para os pulmões

Doses letais de radiação

A dose letal de radiação (LD) é uma indicação da quantidade letal de radiação. Na proteção contra radiação, a dose letal mediana , LD _XY é geralmente usada. Por exemplo, a dose de radiação que deve causar a morte a 50% das pessoas irradiadas em 30 dias é LD _50/30 . O LD ₁ é a dose que deve causar a morte a 1% das pessoas irradiadas, consequentemente, o LD ₉₉ é letal para todas as pessoas (99%) irradiadas. Também é muito importante, se uma pessoa recebe algum tratamento médico ou não. Quanto maior a dose aguda de radiação, maior a possibilidade de matar o indivíduo. Para um adulto saudável, o LD ₅₀ é estimado em algo entre 3 e 5 Gy.

• 2,5 Sv – Dose que mata um ser humano com risco de 1% (LD ₁ ), se a dose for recebida por um período muito curto .
• 5 Sv – Dose que mata um ser humano com um risco de 50% dentro de 30 dias (DL _50/30 ), se a dose for recebida por um período muito curto . A causa da morte será a perda da função da medula óssea.
• 8 Sv – Dose que mata um ser humano com um risco de 99% (LD ₉₉ ), se a dose for recebida por um período muito curto . Por volta de 10 Gy, pode ocorrer inflamação aguda dos pulmões e levar à morte.

Os dados de dose letal fornecidos acima se aplicam a doses gama agudas entregues em um tempo muito curto, por exemplo, alguns minutos. É necessária mais dose para produzir os efeitos listados acima, se a dose for recebida por um período de horas ou mais.

Efeitos estocásticos

Na radiobiologia, os efeitos estocásticos da radiação ionizante ocorrem por acaso, geralmente ocorrendo sem um nível limite de dose. A probabilidade de ocorrência de efeitos estocásticos é proporcional à dose, mas a gravidade do efeito é independente da dose recebida. Os efeitos biológicos da radiação nas pessoas podem ser agrupados em efeitos somáticos e hereditários . Efeitos somáticos são aqueles sofridos pela pessoa exposta. Efeitos hereditários são aqueles sofridos pelos filhos do indivíduo exposto. O risco de câncer é geralmente mencionado como o principal efeito estocástico da radiação ionizante, mas também os distúrbios hereditários são efeitos estocásticos.

De acordo com o ICRP:

(83) Com base nestes cálculos, a Comissão propõe coeficientes de probabilidade nominais para o risco de câncer ajustado por detritos como 5,5 x 10 ^-2 Sv ^-1 para toda a população e 4,1 x 10 ^-2 Sv ^-1 para trabalhadores adultos. Para efeitos herdáveis, o risco nominal ajustado por detrimento em toda a população é estimado em 0,2 x 10 ^-2 Sv ^-1 e em trabalhadores adultos em 0,1 x 10 ^-2 Sv ^-1 .

Referência especial: ICRP, 2007. Recomendações de 2007 da Comissão Internacional de Proteção Radiológica. Publicação 103 da ICRP. Ann. ICRP 37 (2-4).

A unidade SI para dose efetiva , a peneira , representa o efeito biológico equivalente ao depósito de um joule de energia de raios gama em um quilograma de tecido humano. Como resultado, um sievert representa uma chance de 5,5% de desenvolver câncer. Observe que a dose efetiva não se destina a medir os efeitos determinísticos à saúde, que é a gravidade do dano agudo no tecido que certamente ocorrerá, que é medido pela quantidade absorvida em dose.

Existem três categorias gerais de efeitos estocásticos resultantes da exposição a baixas doses de radiação. Esses são:

• Efeitos genéticos . O efeito genético é sofrido pela prole do indivíduo exposto. Envolve a mutação de células muito específicas, nomeadamente os espermatozóides ou óvulos. A radiação é um exemplo de um agente mutagênico físico. Observe que também existem muitos agentes químicos e agentes biológicos (como vírus) que causam mutações. Um fato muito importante a lembrar é que a radiação aumenta a taxa de mutação espontânea, mas não produz novas mutações.
• Efeitos somáticos . Efeitos somáticos são aqueles sofridos pela pessoa exposta . O impacto mais comum da irradiação é a indução estocástica de câncer com um período latente de anos ou décadas após a exposição. Como o câncer é o resultado primário, às vezes é chamado de efeito cancerígeno. A radiação é um exemplo de um agente cancerígeno físico, enquanto os cigarros são um exemplo de um agente químico causador de câncer. Os vírus são exemplos de agentes cancerígenos biológicos.
• Os efeitos intra-útero envolvem a produção de malformações no desenvolvimento de embriões. No entanto, este é realmente um caso especial do efeito somático, uma vez que o embrião / feto é aquele exposto à radiação.

Acredita-se que os efeitos somáticos resultantes da exposição à radiação ocorram de maneira estocástica. O modelo mais amplamente aceito postula que a incidência de câncer devido à radiação ionizante aumenta linearmente com a dose efetiva de radiação a uma taxa de 5,5% por peneira . Esse modelo é conhecido como modelo linear sem limite (LNT) . Esse modelo pressupõe que não há ponto limite e o risco aumenta linearmente com uma dose. Se esse modelo linear estiver correto, a radiação natural de fundo é a fonte mais perigosa de radiação para a saúde pública em geral, seguida por imagens médicas como um segundo próximo. O LNT não é universalmente aceitocom alguns propondo uma relação dose-resposta adaptativa, em que doses baixas são protetoras e doses altas são prejudiciais. Deve-se enfatizar que várias organizações discordam do uso do modelo linear sem limiar para estimar o risco de exposição ambiental e ocupacional a radiação de baixo nível.

Radiobiologia e limites de dose

Na proteção contra radiação, os limites de dose são definidos para limitar os efeitos estocásticos a um nível aceitável e para impedir completamente os efeitos determinísticos . Observe que efeitos estocásticos são os que surgem do acaso: quanto maior a dose, maior a probabilidade do efeito. Efeitos determinísticos são aqueles que normalmente têm um limiar: acima disso, a gravidade do efeito aumenta com a dose. Limites de dosesão um componente fundamental da proteção contra radiação e a violação desses limites é contra a regulamentação de radiação na maioria dos países. Observe que os limites de dose descritos neste artigo se aplicam a operações de rotina. Eles não se aplicam a uma situação de emergência quando a vida humana está em perigo. Eles não se aplicam em situações de exposição de emergência em que um indivíduo está tentando impedir uma situação catastrófica.

Os limites são divididos em dois grupos, o público e os trabalhadores expostos ocupacionalmente. De acordo com o ICRP, a exposição ocupacional refere-se a toda a exposição incorrida pelos trabalhadores no curso de seu trabalho, com exceção da

1. exposições excluídas e exposições de atividades isentas que envolvam radiação ou fontes isentas
2. qualquer exposição médica
3. a radiação natural local normal de fundo.

A tabela a seguir resume os limites de dose para trabalhadores expostos ocupacionalmente e para o público:

De acordo com a recomendação do ICRP em sua declaração sobre reações teciduais de 21 de abril de 2011, o limite de dose equivalente para a lente do olho para exposição ocupacional em situações de exposição planejada foi reduzido de 150 mSv / ano para 20 mSv / ano, em média por períodos definidos de 5 anos, sem dose anual em um único ano superior a 50 mSv.

Os limites da dose efetiva são a soma das doses efetivas relevantes da exposição externa no período especificado e a dose efetiva comprometida da ingestão de radionuclídeos no mesmo período. Para adultos, a dose efetiva comprometida é calculada por um período de 50 anos após a ingestão, enquanto para crianças é calculada para o período de até 70 anos. O limite efetivo da dose para o corpo inteiro de 20 mSv é um valor médio em cinco anos. O limite real é de 100 mSv em 5 anos, e não mais de 50 mSv em um ano.