Introducción a la Radiobiología

La radiobiología es el estudio de la acción de las radiaciones ionizantes sobre los seres vivos, es decir, los efectos biológicos producidos por estas radiaciones. Su objetivo principal es la descripción de los efectos que la radiación produce en los seres humanos. Con los avances físicos, la radiobiología ha impulsado el perfeccionamiento de especialidades en el campo de la radiología, como son la radioterapia, la medicina nuclear, la protección radiológica y la física médica.

Cuando una célula se expone a la radiación, existen cuatro posibilidades:

• Que no presente daño.
• Que experimente algún daño, pero que pueda recuperarse y operar normalmente.
• Que experimente algún daño que no pueda recuperarse y siga viviendo, pero que sus funciones queden alteradas.
• Que muera.

Estructura Celular y su Relevancia en Radiobiología

Todos los organismos vivos están constituidos por una o más células. Estas células se organizan y forman tejidos encargados de realizar las diferentes funciones necesarias para vivir. Los efectos biológicos de la radiación serán, en primera instancia, sobre las células, por lo que es necesario conocer la morfología y fisiología celulares.

Las células presentan diferentes características en su forma, tamaño, componentes y en su velocidad de división, de acuerdo con el tejido al que pertenecen y a la función que realizan. Sin embargo, hay características comunes a todas ellas. Todas las células están compuestas de una membrana, el citoplasma y el núcleo.

Componentes Celulares Fundamentales

La Membrana Celular

La membrana celular es la estructura que limita a la célula. A través de ella entran o salen sustancias y nutrientes. Está constituida por una capa de grasas (lípidos) dentro de la cual, y a diferentes niveles, se encuentran proteínas. Estas actúan como receptores cuya función es mantener la comunicación intra y extracelular. Esta constitución hace que la membrana sea semipermeable, capaz de seleccionar el tipo de sustancia que puede entrar a la célula. La integridad de la membrana es muy importante y el daño a esta cubierta puede ser fatal para la célula.

El Citoplasma y sus Orgánulos

El citoplasma se encuentra envuelto por la membrana y rodea al núcleo. Está constituido por proteínas, lo que le da un aspecto semiviscoso. En el citoplasma se encuentran localizadas las estructuras celulares llamadas orgánulos, que realizan las diferentes actividades requeridas para el funcionamiento de la célula.

Entre los orgánulos más importantes se encuentran:

• Las mitocondrias: encargadas de la producción de moléculas ricas en energía (ATP).
• Los ribosomas: donde se realiza la síntesis de proteínas.
• Los lisosomas: encargados de la digestión de moléculas.

El Núcleo Celular y el ADN

El núcleo es la estructura más importante para la vida celular, ya que desde él se dirige todo el funcionamiento. En el núcleo se encuentra una macromolécula llamada ADN (ácido desoxirribonucleico) que almacena toda la información necesaria para que la célula viva.

El ADN se estructura en forma de doble hélice y está constituido por la unión de bases nitrogenadas con azúcar y un grupo fosfato. Las bases son de cuatro tipos y la secuencia de ellas contiene el mensaje (código genético) para la síntesis de proteínas. Las proteínas determinarán la estructura y gran parte de las funciones fisiológicas del organismo. La unidad más sencilla, compleja y funcional del ADN es el gen.

Genes y Cromosomas

Un gen contiene la información suficiente para producir los elementos que constituyen las proteínas. Los genes se agrupan en estructuras conocidas como cromosomas. El número de cromosomas es característico de cada especie; en el ser humano es de 23 pares diferentes, es decir, 46 cromosomas en cada una de sus células, excepto en las células reproductivas (tanto en el óvulo como en el espermatozoide se encuentran 23 cromosomas, los cuales al reunirse en la fecundación recuperan el número de 46 propio de la especie humana).

De los 23 pares de cromosomas, uno de ellos determina el sexo del individuo. El nuevo ser recibe, a través de los cromosomas, las características de la familia materna y de la familia paterna que, combinadas al azar, determinarán sus rasgos individuales. En la mitosis, los cromosomas se duplican y así cada célula hija recibe un juego completo de cromosomas.

Interacción de la Radiación con la Materia Viva

Etapa Física

En la etapa física de la interacción, se producen fenómenos como:

• Excitación: un átomo recibe un aporte energético y los electrones pasan de una capa interna a otra más externa.
• Ionización: un átomo recibe un aporte energético que produce la separación completa del electrón de su átomo. La energía que incide supera la fuerza de enlace.

La interacción de la radiación con la materia depende de su naturaleza y energía. Se producen los siguientes efectos según sea la energía incidente:

• Dispersión coherente.
• Efecto fotoeléctrico.
• Efecto Compton.
• Producción de pares.
• Fotodesintegración.

Etapa Química

La célula está constituida en un 80% por agua y un 20% por macromoléculas, y entre las células también existe una gran cantidad de agua. Por tanto, cuando la radiación colisiona con el ser vivo, lo más probable es que lo haga con una molécula de agua, no con macromoléculas.

La acción de las radiaciones ionizantes se clasifica en:

• Acción directa: se produce cuando la radiación afecta directamente sobre las macromoléculas celulares.
• Acción indirecta: se produce como consecuencia de la ionización del agua, proceso conocido como radiólisis del agua. En este caso, el resultado final del proceso de absorción de la radiación por la molécula de agua se concreta en la creación tanto de iones como de radicales libres que presentan una alta reactividad química (se pueden unir para modificar ciertas moléculas, pudiendo alterar otros compuestos químicos).

Etapa Biológica

La etapa biológica se inicia con la activación de los sistemas para intentar reparar el daño producido por las radiaciones. Las consecuencias variarán dependiendo del daño causado y pueden aparecer rápidamente o manifestarse mucho tiempo después.

Lesiones Inducidas por Radiación

Lesiones del ADN

La radiación puede producir diversas lesiones en el ADN:

• Rotura simple de la cadena de ADN: es la lesión más abundante tras la radiación. Es una lesión subletal, no implica directamente la muerte celular puesto que es reparable, aunque tras sucesivas exposiciones puede agotar los mecanismos de reparación.
• Rotura doble de cadena: lesión compleja que provoca la rotura de las dos hebras de ADN en sitios próximos. Es una lesión letal, pues existe una estrecha relación con la muerte celular.
• Alteraciones de bases: pérdidas, modificaciones, ligaduras, etc. Son lesiones susceptibles de reparación.
• Destrucción de azúcares: se produce con poca frecuencia, por lo que sus alteraciones son poco conocidas.
• Daño múltiple: combina varias lesiones, es difícil de reparar y conduce a la muerte celular.

Efectos sobre los Cromosomas

Las alteraciones cromosómicas pueden ser:

• Anomalías en la estructura (aberraciones cromosómicas): son poco frecuentes. Algunos ejemplos son:
  • Deleciones: pérdida de un fragmento del cromosoma.
  • Traslocaciones: rotura de dos cromosomas diferentes e intercambios de fragmentos cromosómicos.

Lesiones Celulares Generales

Otras estructuras celulares que pueden ser dañadas por las radiaciones ionizantes incluyen:

• Rupturas de los carbohidratos celulares.
• Cambios estructurales de las proteínas.
• Alteraciones de las funciones enzimáticas.
• Cambios en los lípidos celulares.

Daños Celulares: Muerte Celular

La radiación puede provocar la muerte celular de dos maneras principales:

• Muerte inmediata: se produce en situaciones de dosis elevadas (10-100 Gy), con la consecuencia del cese de todas las funciones celulares. Algunas células muy radiosensibles pueden presentar esta muerte celular a dosis bajas de irradiación.
• Muerte diferida: las dosis bajas de radiación administradas a células que se dividen o que tienen la capacidad de dividirse producirán pérdida de proliferación celular.

La muerte celular inmediata, así como la pérdida de capacidad de proliferación celular, es el objetivo esencial de la radioterapia sobre los tumores.

Factores que Influyen en la Supervivencia Celular

Factor Físico

• Tasa de dosis: es la velocidad a la que se absorbe la energía por unidad de masa de medio irradiado y unidad de tiempo (Gy/tiempo). La misma cantidad de radiación suministrada a dos células en tiempos distintos producirá diferente cantidad de daño; este será mayor en la célula que recibió la dosis en un tiempo menor (no tuvo tiempo a recuperarse del daño recibido).
• LET (Energía Lineal Transferida): es la energía transferida por unidad de longitud a lo largo de la trayectoria recorrida por los fotones. Las partículas alfa tienen un mayor LET que los electrones o los fotones. Una misma dosis de radiación producirá un efecto biológico diferente en función de la energía transferida al medio irradiado.

Factores Químicos

• Radiosensibilizadores: aumentan los efectos de la radiación. El principal radiosensibilizador es el oxígeno.
• Radioprotectores: disminuyen el efecto de la radiación, puesto que disminuyen el potencial de los radicales libres generados. Algunos ejemplos son los antioxidantes.

Factores Biológicos: Radiosensibilidad

La radiosensibilidad es la forma en la que se manifiesta la acción biológica producida por la radiación sobre una determinada población celular o tejido. Una célula es más radiosensible cuanto:

• Mayor es su actividad reproductiva.
• Más divisiones deba cumplir en el futuro.
• Menos diferenciada sea.

Podemos decir que la radiosensibilidad celular es directamente proporcional a su índice mitótico e inversamente proporcional a su diferenciación.

Efectos de la Radiación en el Organismo

Efectos Somáticos

Los efectos somáticos son aquellos que se manifiestan en el individuo que se ha expuesto a la radiación y, como su nombre indica, se deben al daño recibido en sus células somáticas o diploides. Este tipo de daño queda limitado solamente al individuo que recibe la radiación (ejemplos: esterilidad, inducción de cáncer).

Efectos Hereditarios o Genéticos

Los efectos hereditarios o genéticos son el resultado del daño recibido en las células gaméticas y sus efectos se presentarán en la descendencia de las células irradiadas (ejemplos: procesos de mutación en el ADN, los cuales son hereditarios por sus descendientes).

Radiosensibilidad y la Ley de Bergonié y Tribondeau

La radiosensibilidad está definida en términos de la rapidez con que se manifiestan los daños. Desde 1906, la Ley de Bergonié y Tribondeau observó que las células en reproducción son más sensibles a la radiación.

Efectos Deterministas

Los efectos deterministas son producidos en el tejido irradiado, generalmente por dosis altas, cuya severidad depende de la dosis recibida (la gravedad aumenta con la dosis de radiación) y para los cuales existe un umbral, es decir, un valor de la dosis por debajo de la cual no se produce el efecto. Si no se supera el umbral, no se tienen los efectos esperados (ejemplos: la esterilidad, las cataratas).

Efectos Estocásticos

Los efectos estocásticos se manifiestan mucho después de la exposición. Su severidad no depende de la dosis, pero la probabilidad aumenta conforme las dosis son mayores y no existe umbral, pues aun a bajas dosis pueden producirse; la frecuencia es reducida (ejemplos: leucemia, alteraciones en el desarrollo del embrión).

Respuesta Celular a la Radiación

En las células se desarrolla una actividad metabólica que implica un constante intercambio de productos químicos entre los orgánulos celulares y con el exterior de la célula misma, cuyo funcionamiento puede alterarse por los cambios químicos originados por la radiación. Por ejemplo, una alteración de la permeabilidad de las membranas puede atentar contra el equilibrio del intercambio y dañar a la célula severamente.

La radiación puede afectar a partes vitales de la molécula de ADN, dando lugar a cambios en los cromosomas y a efectos genéticos. La célula tiene mecanismos de reparación que pueden corregir esas alteraciones. Una reparación perfecta no conlleva consecuencias, pero si hay error en el proceso, las células que sufren daños irreparables mueren o pierden su capacidad reproductiva, y las consecuencias se manifiestan a corto o mediano plazo. Si el daño es muy severo y los órganos afectados son vitales, se puede producir la muerte del organismo.

Cuando se producen cambios específicos en el ADN, se inicia un proceso conocido como transformación neoplásica, que conduce a la modificación de una célula normal. La división y multiplicación de esta célula da lugar a un tumor oculto en la etapa denominada progresión. El proceso carcinogénico incluye el crecimiento de un cáncer primario de un tamaño detectable y su dispersión a otros tejidos, lo cual puede tardar meses en animales pequeños y muchos años en los humanos. El tiempo transcurrido desde la irradiación hasta la detección de un cáncer inducido por radiación se denomina período de latencia y varía con el tipo de cáncer y la edad de la persona en el momento de la exposición.