Eficacia biológica relativa

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En radiobiología , la eficacia biológica relativa (a menudo abreviada como RBE ) es la relación entre la eficacia biológica de un tipo de radiación ionizante y otra, dada la misma cantidad de energía absorbida . La RBE es un valor empírico que varía en función del tipo de radiación ionizante, las energías implicadas, los efectos biológicos que se estén considerando, como la muerte celular, y la tensión de oxígeno de los tejidos o el llamado efecto oxígeno .

La dosis absorbida puede ser un mal indicador del efecto biológico de la radiación, ya que el efecto biológico puede depender de muchos otros factores, incluidos el tipo de radiación, la energía y el tipo de tejido. La eficacia biológica relativa puede ayudar a proporcionar una mejor medida del efecto biológico de la radiación. La eficacia biológica relativa de la radiación de tipo R sobre un tejido se define como la relación

${\displaystyle RBE={\frac {D_{X}}{D_{R}}}}$

donde D _X es una dosis de radiación de referencia absorbida de un tipo estándar X y D _R es la dosis absorbida de radiación de tipo R que causa la misma cantidad de daño biológico. Ambas dosis se cuantifican por la cantidad de energía absorbida en las células.

Los distintos tipos de radiación tienen una eficacia biológica diferente, principalmente porque transfieren su energía al tejido de distintas maneras. Los fotones y las partículas beta tienen un coeficiente de transferencia de energía lineal (LET) bajo, lo que significa que ionizan átomos en el tejido que están espaciados por varios cientos de nanómetros (varias décimas de micrómetro ) a lo largo de su trayectoria. En cambio, las partículas alfa y los neutrones, mucho más masivos, dejan un rastro más denso de átomos ionizados a su paso, espaciados aproximadamente a una décima de nanómetro (es decir, menos de una milésima de la distancia típica entre ionizaciones de fotones y partículas beta).

Los RBE se pueden utilizar para riesgos de cáncer/hereditarios ( estocásticos ) o para reacciones nocivas en los tejidos ( deterministas ). Los tejidos tienen diferentes RBE según el tipo de efecto. Para la radiación LET alta (es decir, alfas y neutrones), los RBE para efectos deterministas tienden a ser más bajos que para efectos estocásticos. ^[1]

El concepto de RBE es relevante en medicina, como en radiología y radioterapia , y en la evaluación de riesgos y consecuencias de la contaminación radiactiva en diversos contextos, como la operación de plantas de energía nuclear , la eliminación y reprocesamiento de combustible nuclear , las armas nucleares , la minería de uranio y la seguridad de la radiación ionizante .

Para calcular la dosis equivalente a un órgano o tejido, la Comisión Internacional de Protección Radiológica (CIPR) ha definido un conjunto estándar de factores de ponderación de la radiación (W _R ), anteriormente denominado factor de calidad ( Q ) . ^{[1] [2]} Los factores de ponderación de la radiación convierten la dosis absorbida (medida en unidades del SI de grays o rads no pertenecientes al SI ) en dosis equivalente biológica formal para la exposición a la radiación (medida en unidades de sieverts o rem ). Sin embargo, la CIPR afirma: ^[1]

"Las cantidades de dosis equivalente y dosis efectiva no deben utilizarse para cuantificar dosis de radiación más altas o para tomar decisiones sobre la necesidad de cualquier tratamiento relacionado con reacciones tisulares [es decir, efectos deterministas]. Para tales fines, las dosis deben evaluarse en términos de dosis absorbida (en gray, Gy), y cuando se trate de radiaciones de alta LET (por ejemplo, neutrones o partículas alfa), debe utilizarse una dosis absorbida, ponderada con un RBE apropiado"

Los factores de ponderación de la radiación se basan en gran medida en la RBE de la radiación para los riesgos estocásticos para la salud . Sin embargo, para simplificar, los factores de ponderación de la radiación no dependen del tipo de tejido y los valores se eligen de manera conservadora para que sean mayores que la mayor parte de los valores experimentales observados para los tipos de células más sensibles, con respecto a fuentes externas (externas a la célula). No se han desarrollado factores de ponderación de la radiación para fuentes internas de iones pesados, como un núcleo de retroceso.

A continuación se indican los valores estándar de la ICRP 2007 para la eficacia relativa. Cuanto mayor sea el factor de ponderación de la radiación para un tipo de radiación, más perjudicial será, y esto se incorpora al cálculo para convertir las unidades de gray a sievert.

Los factores de ponderación de la radiación que van desde la energía física hasta el efecto biológico no deben confundirse con los factores de ponderación tisular . Los factores de ponderación tisular se utilizan para convertir una dosis equivalente para un tejido dado en el cuerpo en una dosis efectiva , un número que proporciona una estimación del peligro total para todo el organismo, como resultado de la dosis de radiación a una parte del cuerpo.

Por lo general, la evaluación de la efectividad biológica relativa se realiza en varios tipos de células vivas cultivadas en un medio de cultivo , incluidas células procariotas como las bacterias , células eucariotas simples como las plantas unicelulares y células eucariotas avanzadas derivadas de organismos como las ratas . Al irradiar lotes de células con diferentes dosis y tipos de radiación, se puede encontrar una relación entre la dosis y la fracción de células que mueren, y luego se puede usar para encontrar las dosis correspondientes a una tasa de supervivencia común. La relación de estas dosis es la RBE de R. En lugar de la muerte, el punto final podría ser la fracción de células que se vuelven incapaces de experimentar división mitótica (o, para las bacterias, fisión binaria ), por lo que se esterilizan de manera efectiva, incluso si aún pueden llevar a cabo otras funciones celulares.

Los tipos R de radiación ionizante más considerados en la evaluación de RBE son los rayos X y la radiación gamma (ambos compuestos de fotones ), las radiaciones alfa ( núcleos de helio-4 ), la radiación beta ( electrones y positrones ), la radiación de neutrones y los núcleos pesados , incluidos los fragmentos de fisión nuclear . Para algunos tipos de radiación, la RBE depende en gran medida de la energía de las partículas individuales.

Se descubrió en un principio que los rayos X, los rayos gamma y la radiación beta eran esencialmente equivalentes para todos los tipos de células. Por lo tanto, el tipo de radiación X estándar es generalmente un haz de rayos X con fotones de 250  keV o rayos gamma de cobalto-60 . Como resultado, la eficacia biológica relativa de la radiación beta y de los fotones es esencialmente 1.

Para otros tipos de radiación, la RBE no es una cantidad física bien definida, ya que varía un poco con el tipo de tejido y con el lugar preciso de absorción dentro de la célula. Así, por ejemplo, la RBE para la radiación alfa es de 2-3 cuando se mide en bacterias , de 4-6 para células eucariotas simples y de 6-8 para células eucariotas superiores. Según una fuente, puede ser mucho más alta (6500 con rayos X como referencia) en ovocitos. ^[3] La RBE de los neutrones es de 4-6 para bacterias, de 8-12 para células eucariotas simples y de 12-16 para células eucariotas superiores.

En los primeros experimentos, las fuentes de radiación eran todas externas a las células irradiadas. Sin embargo, como las partículas alfa no pueden atravesar la capa muerta más externa de la piel humana, sólo pueden causar daños significativos si provienen de la descomposición de átomos dentro del cuerpo. Como el alcance de una partícula alfa suele ser del diámetro de una sola célula eucariota, la ubicación precisa del átomo emisor en las células del tejido se vuelve significativa.

Por esta razón, se ha sugerido que el impacto en la salud de la contaminación por emisores alfa podría haber sido subestimado sustancialmente. ^[4] Las mediciones de RBE con fuentes externas también descuidan la ionización causada por el retroceso del núcleo original debido a la desintegración alfa. Si bien el retroceso del núcleo original del átomo en desintegración generalmente transporta solo alrededor del 2% de la energía de la partícula alfa que emite el átomo en desintegración, su alcance es extremadamente corto (alrededor de 2-3 angstroms), debido a su alta carga eléctrica y alta masa . Se requiere que el núcleo original retroceda, tras la emisión de una partícula alfa , con una energía cinética discreta debido a la conservación del momento . Por lo tanto, toda la energía de ionización del núcleo de retroceso se deposita en un volumen extremadamente pequeño cerca de su ubicación original, típicamente en el núcleo celular en los cromosomas, que tienen afinidad por los metales pesados. ^{[5] [6] [7]} La ​​mayor parte de los estudios, utilizando fuentes externas a la célula, han producido RBE entre 10 y 20. ^[8] Dado que la mayor parte del daño por ionización del viaje de la partícula alfa se deposita en el citoplasma , mientras que el viaje del núcleo de retroceso es sobre el ADN mismo, es probable que el daño mayor sea causado por el núcleo de retroceso que por la partícula alfa misma.

En 1931, Failla y Henshaw informaron sobre la determinación de la eficacia biológica relativa (EBR) de los rayos X y los rayos γ. Éste parece ser el primer uso del término "EBR". Los autores observaron que la EBR dependía del sistema experimental que se estudiaba. Un poco más tarde, Zirkle et al. (1952) señalaron que la eficacia biológica depende de la distribución espacial de la energía impartida y de la densidad de ionizaciones por unidad de longitud de trayectoria de las partículas ionizantes. Zirkle et al. acuñaron el término "transferencia de energía lineal" (LET) para utilizarlo en radiobiología para el poder de frenado, es decir, la pérdida de energía por unidad de longitud de trayectoria de una partícula cargada. El concepto se introdujo en la década de 1950, en un momento en que el despliegue de armas nucleares y reactores nucleares estimuló la investigación sobre los efectos biológicos de la radiactividad artificial. Se había observado que esos efectos dependían tanto del tipo y espectro de energía de la radiación como del tipo de tejido vivo. Los primeros experimentos sistemáticos para determinar la RBE se llevaron a cabo en esa década. ^{[ cita requerida ]}

• Radiación de fondo
• Transferencia de energía lineal (LET)
• Teoría de la acción dual de la radiación

• Eficacia biológica relativa en la terapia con haces de iones