Radiobiología

La radiobiología (también conocida como biología de la radiación y, con menos frecuencia, como actinobiología ) es un campo de las ciencias médicas básicas y clínicas que implica el estudio de los efectos de la radiación ionizante en los seres vivos, en particular los efectos de la radiación en la salud . La radiación ionizante es generalmente dañina y potencialmente letal para los seres vivos, pero puede tener beneficios para la salud en la radioterapia para el tratamiento del cáncer y la tirotoxicosis . Su impacto más común es la inducción de cáncer con un período de latencia de años o décadas después de la exposición. Las dosis altas pueden causar quemaduras por radiación visualmente dramáticas y/o una muerte rápida a través del síndrome de radiación aguda . Las dosis controladas se utilizan para imágenes médicas y radioterapia .

En general, la radiación ionizante es dañina y potencialmente letal para los seres vivos, pero puede tener beneficios para la salud en la radioterapia para el tratamiento del cáncer y la tirotoxicosis .

La mayoría de los efectos adversos para la salud de la exposición a la radiación pueden agruparse en dos categorías generales:

• efectos deterministas (reacciones tisulares dañinas) debidos en gran parte a la muerte o mal funcionamiento de las células después de dosis altas; y
• efectos estocásticos, es decir, cáncer y efectos hereditarios que implican el desarrollo de cáncer en individuos expuestos debido a la mutación de células somáticas o enfermedades hereditarias en su descendencia debido a la mutación de células reproductivas (germinales). ^[1]

Algunos efectos de la radiación ionizante sobre la salud humana son estocásticos , lo que significa que su probabilidad de ocurrencia aumenta con la dosis, mientras que la gravedad es independiente de la dosis. ^[2] El cáncer inducido por radiación , la teratogénesis , el deterioro cognitivo y las enfermedades cardíacas son todos efectos estocásticos inducidos por la radiación ionizante.

Su efecto más común es la inducción estocástica de cáncer con un período de latencia de años o décadas después de la exposición. El mecanismo por el cual esto ocurre es bien conocido, pero los modelos cuantitativos que predicen el nivel de riesgo siguen siendo controvertidos. 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 . ^[3] Si este modelo lineal es correcto, entonces la radiación de fondo natural es la fuente de radiación más peligrosa para la salud pública en general, seguida por las imágenes médicas en segundo lugar.

Los datos cuantitativos sobre los efectos de la radiación ionizante en la salud humana son relativamente limitados en comparación con otras afecciones médicas debido al bajo número de casos hasta la fecha y a la naturaleza estocástica de algunos de los efectos. Los efectos estocásticos solo se pueden medir a través de grandes estudios epidemiológicos en los que se hayan recopilado datos suficientes para eliminar factores de confusión como el hábito de fumar y otros factores relacionados con el estilo de vida. La fuente más rica de datos de alta calidad proviene del estudio de los sobrevivientes japoneses de la bomba atómica . Los experimentos in vitro y con animales son informativos, pero la radiorresistencia varía mucho entre especies.

Se estima que el riesgo añadido de desarrollar cáncer a lo largo de la vida mediante una única TC abdominal de 8  mSv es del 0,05 %, o 1 en 2000. ^[4]

Los efectos deterministas son aquellos que ocurren de manera confiable por encima de una dosis umbral y su gravedad aumenta con la dosis. ^[2]

Las dosis elevadas de radiación dan lugar a efectos deterministas que ocurren con fiabilidad por encima de un umbral y su gravedad aumenta con la dosis. Los efectos deterministas no son necesariamente más o menos graves que los efectos estocásticos; ambos pueden acabar provocando una molestia temporal o la muerte. Algunos ejemplos de efectos deterministas son:

• Síndrome de radiación aguda , por radiación aguda de todo el cuerpo
• Quemaduras por radiación , causadas por la radiación sobre una superficie corporal específica.
• Tiroiditis inducida por radiación , un posible efecto secundario del tratamiento con radiación contra el hipertiroidismo
• Síndrome de radiación crónica , debido a la radiación a largo plazo.
• Lesión pulmonar inducida por radiación , por ejemplo, radioterapia dirigida a los pulmones.
• Cataratas e infertilidad. ^[2]

El Comité de Efectos Biológicos de la Radiación Ionizante de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos "ha concluido que no hay evidencia convincente que indique un umbral de dosis por debajo del cual el riesgo de inducción de tumores sea cero". ^[5]

Cuando se ingieren isótopos que emiten partículas alfa, son mucho más peligrosos de lo que sugieren su vida media o su tasa de desintegración. Esto se debe a la alta eficacia biológica relativa de la radiación alfa para causar daño biológico después de que los radioisótopos emisores de partículas alfa entran en las células vivas. Los radioisótopos emisores de partículas alfa ingeridos, como los transuránicos o los actínidos, son en promedio unas 20 veces más peligrosos y, en algunos experimentos, hasta 1000 veces más peligrosos que una actividad equivalente de radioisótopos emisores de partículas beta o gamma. Si no se conoce el tipo de radiación, se puede determinar mediante mediciones diferenciales en presencia de campos eléctricos, campos magnéticos o con cantidades variables de protección.

El riesgo de desarrollar cáncer inducido por radiación en algún momento de la vida es mayor cuando se expone a un feto que a un adulto, tanto porque las células son más vulnerables cuando están creciendo como porque la esperanza de vida después de la dosis para desarrollar cáncer es mucho mayor. Si hay demasiada exposición a la radiación, podría haber efectos nocivos para el feto o los órganos reproductivos. ^[7] Las investigaciones muestran que realizar más de una ecografía cada nueve meses puede dañar al feto. ^[8]

Los posibles efectos deterministas de la exposición a la radiación durante el embarazo incluyen abortos espontáneos , defectos estructurales congénitos , restricción del crecimiento y discapacidad intelectual . ^[9] Los efectos deterministas se han estudiado, por ejemplo, en supervivientes de los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki y en casos en los que ha sido necesaria la radioterapia durante el embarazo:

Se ha estimado que el déficit intelectual es de unos 25 puntos de CI por cada 1.000 mGy entre las 10 y 17 semanas de edad gestacional. ^[9]

Estos efectos a veces son relevantes a la hora de decidir sobre imágenes médicas durante el embarazo , ya que la radiografía de proyección y la tomografía computarizada exponen al feto a la radiación.

Además, el riesgo de que la madre contraiga posteriormente cáncer de mama inducido por radiación parece ser particularmente alto para las dosis de radiación recibidas durante el embarazo. ^[10]

El cuerpo humano no puede percibir la radiación ionizante, excepto en dosis muy altas, pero los efectos de la ionización se pueden utilizar para caracterizar la radiación. Los parámetros de interés incluyen la tasa de desintegración, el flujo de partículas, el tipo de partícula, la energía del haz, el kerma, la tasa de dosis y la dosis de radiación.

El control y el cálculo de las dosis para proteger la salud humana se denomina dosimetría y se lleva a cabo en el marco de la física de la salud . Las herramientas de medición clave son el uso de dosímetros para obtener la dosis efectiva externa absorbida y el uso de bioensayos para la dosis ingerida. El artículo sobre el sievert resume las recomendaciones de la ICRU y la ICRP sobre el uso de cantidades de dosis e incluye una guía sobre los efectos de la radiación ionizante medidos en sieverts y ofrece ejemplos de cifras aproximadas de absorción de dosis en determinadas situaciones.

La dosis comprometida es una medida del riesgo estocástico para la salud debido a la ingestión de material radiactivo en el cuerpo humano. La ICRP afirma que "en el caso de la exposición interna, las dosis efectivas comprometidas se determinan generalmente a partir de una evaluación de la ingestión de radionucleidos a partir de mediciones de bioensayos u otras cantidades. La dosis de radiación se determina a partir de la ingestión utilizando coeficientes de dosis recomendados". ^[11]

La dosis absorbida es una cantidad de dosis física D que representa la energía media impartida a la materia por unidad de masa por la radiación ionizante . En el sistema SI de unidades, la unidad de medida es julios por kilogramo, y su nombre especial es gray (Gy). ^[12] La unidad CGS no SI rad también se utiliza a veces, predominantemente en los EE. UU.

Para representar el riesgo estocástico se utilizan la dosis equivalente H _T y la dosis efectiva E , y se utilizan factores y coeficientes de dosis apropiados para calcularlas a partir de la dosis absorbida. ^[13] Las cantidades de dosis equivalente y efectiva se expresan en unidades de sievert o rem , lo que implica que se han tenido en cuenta los efectos biológicos. Por lo general, estas se ajustan a las recomendaciones del Comité Internacional de Protección Radiológica (CIPR) y la Comisión Internacional de Unidades y Medidas de Radiación (CIRU). El sistema coherente de cantidades de protección radiológica desarrollado por ellos se muestra en el diagrama adjunto.

La Comisión Internacional de Protección Radiológica (CIPR) administra el Sistema Internacional de Protección Radiológica, que establece los límites recomendados para la absorción de dosis. Los valores de dosis pueden representar la dosis absorbida, equivalente, efectiva o comprometida.

Otras organizaciones importantes que estudian el tema incluyen

• Comisión Internacional de Unidades y Medidas de Radiación (ICRU)
• Comité Científico de las Naciones Unidas para el Estudio de los Efectos de las Radiaciones Atómicas (UNSCEAR)
• Consejo Nacional de Estados Unidos sobre Medidas y Protección Radiológica (NCRP)
• Reino Unido Agencia de Seguridad Sanitaria del Reino Unido
• Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NAS a través de los estudios BEIR)
• Instituto francés de radioprotección y seguridad nuclear (IRSN)
• Comité Europeo sobre Riesgos de Radiación (ECRR) el estadio de la radiación depende del estadio en que se vean afectadas las partes del cuerpo

La exposición externa es la que se produce cuando la fuente radiactiva (u otra fuente de radiación) se encuentra fuera (y permanece fuera) del organismo al que está expuesta. Algunos ejemplos de exposición externa son:

• Una persona que coloca una fuente radiactiva sellada en su bolsillo.
• Un viajero espacial que está irradiado por rayos cósmicos.
• Una persona que recibe tratamiento contra el cáncer mediante teleterapia o braquiterapia . Si bien en la braquiterapia la fuente está dentro de la persona, se considera exposición externa porque no da como resultado una dosis comprometida .
• Trabajador nuclear cuyas manos se han ensuciado con polvo radiactivo. Suponiendo que sus manos se limpian antes de que cualquier material radiactivo pueda ser absorbido, inhalado o ingerido, la contaminación de la piel se considera una exposición externa.

La exposición externa es relativamente fácil de estimar y el organismo irradiado no se vuelve radiactivo, excepto en el caso en que la radiación sea un haz de neutrones intenso que provoque activación .

La exposición interna se produce cuando el material radiactivo entra en el organismo y los átomos radiactivos se incorporan al mismo. Esto puede ocurrir por inhalación, ingestión o inyección. A continuación se presentan una serie de ejemplos de exposición interna.

• La exposición causada por el potasio-40 presente en una persona normal .
• La exposición a la ingestión de una sustancia radiactiva soluble, como el 89Sr ^en la leche de vaca .
• Persona que recibe tratamiento contra el cáncer mediante un radiofármaco en el que se utiliza un radioisótopo como fármaco (normalmente un líquido o una pastilla). En 1999 se publicó una reseña de este tema. ^[17] Debido a que el material radiactivo se mezcla íntimamente con el objeto afectado, suele ser difícil descontaminar el objeto o la persona en un caso de exposición interna. Si bien algunos materiales muy insolubles, como los productos de fisión dentro de una matriz de dióxido de uranio, tal vez nunca puedan convertirse realmente en parte de un organismo, es normal considerar dichas partículas en los pulmones y el tracto digestivo como una forma de contaminación interna que da lugar a una exposición interna.
• La terapia de captura de neutrones con boro (BNCT) implica la inyección de una sustancia química marcada con boro-10 que se une preferentemente a las células tumorales. Los neutrones de un reactor nuclear son moldeados por un moderador de neutrones al espectro de energía de neutrones adecuado para el tratamiento BNCT. El tumor es bombardeado selectivamente con estos neutrones. Los neutrones se desaceleran rápidamente en el cuerpo para convertirse en neutrones térmicos de baja energía . Estos neutrones térmicos son capturados por el boro-10 inyectado, formando neutrones excitados (boro-11) que se descomponen en litio-7 y una partícula alfa de helio-4 ; ambos producen radiación ionizante muy espaciada. Este concepto se describe como un sistema binario que utiliza dos componentes separados para la terapia del cáncer. Cada componente en sí es relativamente inofensivo para las células, pero cuando se combinan para el tratamiento producen un efecto altamente citocida ( citotóxico ) que es letal (dentro de un rango limitado de 5-9 micrómetros o aproximadamente un diámetro celular). Actualmente se llevan a cabo ensayos clínicos, con resultados prometedores, en Finlandia y Japón.

Cuando los compuestos radiactivos entran en el cuerpo humano, los efectos son diferentes a los que resultan de la exposición a una fuente de radiación externa. Especialmente en el caso de la radiación alfa, que normalmente no penetra la piel, la exposición puede ser mucho más dañina después de la ingestión o inhalación. La exposición a la radiación normalmente se expresa como dosis comprometida .

Aunque la radiación se descubrió a finales del siglo XIX, los peligros de la radiactividad y de la radiación no se reconocieron de inmediato. Los efectos agudos de la radiación se observaron por primera vez en el uso de rayos X cuando el físico alemán Wilhelm Röntgen sometió intencionadamente sus dedos a rayos X en 1895. Publicó sus observaciones sobre las quemaduras que se produjeron, aunque las atribuyó erróneamente al ozono, un radical libre producido en el aire por los rayos X. Ahora se sabe que otros radicales libres producidos dentro del cuerpo son más importantes. Sus heridas sanaron más tarde.

Como campo de las ciencias médicas, la radiobiología se originó a partir de la demostración que Leopold Freund hizo en 1896 del tratamiento terapéutico de un lunar peludo utilizando la forma recién descubierta de radiación electromagnética llamada rayos X. Después de irradiar ranas e insectos con rayos X a principios de 1896, Ivan Romanovich Tarkhanov concluyó que estos rayos recién descubiertos no solo fotografían, sino que también "afectan la función vital". ^[18] Al mismo tiempo, Pierre y Marie Curie descubrieron el polonio y el radio radiactivos que luego se usaron para tratar el cáncer .

Los efectos genéticos de la radiación, incluidos los efectos sobre el riesgo de cáncer, se reconocieron mucho más tarde. En 1927, Hermann Joseph Muller publicó una investigación que demostraba los efectos genéticos y en 1946 recibió el premio Nobel por sus hallazgos.

En términos más generales, en la década de 1930 se intentó desarrollar un modelo general para la radiobiología. En este sentido, destacó Douglas Lea , ^{[19] [20]} cuya presentación también incluyó una revisión exhaustiva de unas 400 publicaciones complementarias. ^{[21] [ página necesaria ] [22]}

Antes de que se conocieran los efectos biológicos de la radiación, muchos médicos y corporaciones habían comenzado a comercializar sustancias radiactivas como medicina patentada y curanderismo radiactivo . Algunos ejemplos eran los tratamientos con enemas de radio y las aguas que contenían radio para beber como tónicos. Marie Curie se pronunció en contra de este tipo de tratamiento, advirtiendo que no se comprendían bien los efectos de la radiación en el cuerpo humano. Curie murió más tarde de anemia aplásica causada por envenenamiento por radiación. Eben Byers , un famoso miembro de la alta sociedad estadounidense, murió de múltiples cánceres (pero no del síndrome de radiación aguda) en 1932 después de consumir grandes cantidades de radio durante varios años; su muerte atrajo la atención pública sobre los peligros de la radiación. En la década de 1930, después de una serie de casos de necrosis ósea y muerte en entusiastas, los productos médicos que contenían radio casi habían desaparecido del mercado.

En Estados Unidos, la experiencia de las llamadas Radium Girls , donde miles de pintoras que utilizaban esferas de radio contrajeron cánceres bucales ^[23] —pero ningún caso de síndrome de radiación aguda ^[24] — popularizó las advertencias de salud ocupacional asociadas con los peligros de la radiación. Robley D. Evans , en el MIT , desarrolló el primer estándar para la carga corporal permisible de radio , un paso clave en el establecimiento de la medicina nuclear como campo de estudio. Con el desarrollo de los reactores nucleares y las armas nucleares en la década de 1940, se prestó mayor atención científica al estudio de todo tipo de efectos de la radiación.

Los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki provocaron un gran número de incidentes de envenenamiento por radiación, lo que permitió un mayor conocimiento de sus síntomas y peligros. El cirujano del Hospital de la Cruz Roja, Dr. Terufumi Sasaki, dirigió una investigación intensiva sobre el síndrome en las semanas y meses posteriores a los bombardeos de Hiroshima. Sasaki y su equipo pudieron monitorear los efectos de la radiación en pacientes de distintas proximidades a la explosión, lo que llevó al establecimiento de tres etapas registradas del síndrome. Entre 25 y 30 días después de la explosión, el cirujano de la Cruz Roja notó una caída brusca en el recuento de glóbulos blancos y estableció esta caída, junto con los síntomas de fiebre, como estándares de pronóstico para el síndrome de radiación aguda. ^[25] La actriz Midori Naka , que estuvo presente durante el bombardeo atómico de Hiroshima, fue el primer incidente de envenenamiento por radiación que se estudió ampliamente. Su muerte el 24 de agosto de 1945 fue la primera muerte en ser certificada oficialmente como resultado de envenenamiento por radiación (o "enfermedad de la bomba atómica").

La Comisión de Víctimas de la Bomba Atómica y la Fundación para la Investigación de los Efectos de la Radiación han estado monitoreando el estado de salud de los sobrevivientes y sus descendientes desde 1946. Han descubierto que la exposición a la radiación aumenta el riesgo de cáncer, pero también que la esperanza de vida promedio de los sobrevivientes se redujo sólo unos pocos meses en comparación con aquellos que no estuvieron expuestos a la radiación. Hasta ahora no se han detectado efectos de ningún tipo en la salud de los hijos de los sobrevivientes. ^[26]

Las interacciones entre los organismos y los campos electromagnéticos (CEM) y la radiación ionizante se pueden estudiar de varias maneras:

• Física de la radiación
• Química de la radiación
• Biología molecular y celular
• Genética molecular
• Muerte celular y apoptosis
• Radiación electromagnética de alto y bajo nivel y salud
• Tasas de absorción específicas de los organismos
• Envenenamiento por radiación
• Oncología radioterápica ( radioterapia en el cáncer )
• Bioelectromagnetismo
• Campo eléctrico y campo magnético : su naturaleza general.
• Electrofisiología : el estudio científico de las propiedades eléctricas de las células y tejidos biológicos.
• Biomagnetismo : las propiedades magnéticas de los sistemas vivos (véase, por ejemplo, la investigación de David Cohen con imágenes SQUID ) y magnetobiología : el estudio del efecto de los imanes sobre los sistemas vivos. Véase también Radiación electromagnética y salud
• Bioelectromagnetismo : las propiedades electromagnéticas de los sistemas vivos y Bioelectromagnetismo : el estudio del efecto de los campos electromagnéticos en los sistemas vivos.
• Electroterapia
• Radioterapia
• Radiogenómica
• Estimulación magnética transcraneal : una potente corriente eléctrica produce un campo magnético transitorio y enfocado espacialmente que puede penetrar el cuero cabelludo y el cráneo de un sujeto e inducir actividad eléctrica en las neuronas de la superficie del cerebro.
• Resonancia magnética : se utiliza un campo magnético muy potente para obtener una imagen tridimensional de la densidad de las moléculas de agua del cerebro, lo que revela diferentes estructuras anatómicas. Una técnica relacionada, la resonancia magnética funcional , revela el patrón del flujo sanguíneo en el cerebro y puede mostrar qué partes del cerebro participan en una tarea en particular.
• Embriogénesis , ontogenia y biología del desarrollo : una disciplina que ha dado lugar a muchas teorías de campo científicas.
• Bioenergética : el estudio del intercambio de energía a nivel molecular de los sistemas vivos.
• Psiquiatría biológica , Neurología , Psiconeuroinmunología

Los experimentos de radiobiología normalmente utilizan una fuente de radiación que podría ser:

• Una fuente isotópica , típicamente ¹³⁷ Cs o ⁶⁰ Co.
• Un acelerador de partículas que genera protones , electrones o iones cargados de alta energía . Las muestras biológicas se pueden irradiar utilizando un haz amplio y uniforme ^[27] o utilizando un microhaz , enfocado hasta tamaños celulares o subcelulares.
• Una lámpara UV .

• Efectos biológicos de la radiación sobre el epigenoma
• Curva de supervivencia celular
• Amenaza para la salud por los rayos cósmicos
• Laboratorio de Radiación Espacial de la NASA
• La radiactividad en la biología
• Radiología
• Radiofobia
• Radiosensibilidad

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

Busque radiobiología , biología de la radiación o actinobiología en Wikcionario, el diccionario libre.

• Eric Hall, Radiobiología para el radiólogo . 2006. Lippincott
• G. Gordon Steel, "Radiobiología clínica básica". 2002. Hodder Arnold.
• El Instituto de Biología de la Radiación del Centro Helmholtz de Salud Ambiental [1]