Los efectos biológicos de la radiación ionizante se basan en reacciones físicas y químicas que siguen a la llamada cadena de acción radiobiológica. La fase física tiene lugar en fracciones de segundo (10-15-10-12 s) y se caracteriza por la absorción de energía ionizante. Los radicales resultantes reaccionan con otros radicales/átomos/moléculas durante la fase química (10-12-10-5 s). Estos eventos químicos pueden causar daño biológico en varios niveles, con la fase biológica persistiendo hasta el final de la vida. A nivel molecular, el daño del ADN está implicado predominantemente en la determinación del resultado celular. Estos últimos pueden ser la muerte celular, la senescencia o la carcinogénesis, por ejemplo. A nivel tisular, los efectos deterministas resultantes de la destrucción celular dan lugar a reacciones adversas agudas y crónicas. Finalmente, a nivel sistémico, se puede observar la aparición de efectos espectadores y abscopiales y la manifestación de mecanismos de respuesta adaptativa después de la radiación ionizante. Los factores modificadores de estos efectos de radiación biológica son, por ejemplo, el nivel de oxígeno, la tasa de dosis y la fracción, y el tipo de radiación y la energía. [1]

Fase física y química de la cadena de acción radiobiológica – Interacción de la radiación con la materia viva

Cuando la radiación ionizante atraviesa la materia viva, deposita energía a lo largo de su camino. Si la deposición de energía es mayor que la energía de unión de un electrón orbital, este último abandona el átomo que conduce a la formación de pares de iones. Este proceso se llama ionización. A energías más bajas, los electrones orbitales pueden ganar suficiente energía para elevarlos a capas de energía más alta, y el átomo en la célula se eleva desde el estado fundamental a un nivel de energía más alto. Este proceso se llama excitación. Ambos procesos pueden convertir átomos y moléculas en radicales libres con electrones no emparejados muy reactivos. Los radicales también pueden reaccionar con moléculas vecinas, después de lo cual pueden ocurrir reacciones en cadena. Es ampliamente aceptado que el ADN dentro de la célula es el objetivo crítico para el daño por radiación que puede ocurrir después de la acción directa o indirecta. En acción directa, los átomos del propio ADN pueden ser ionizados o excitados, lo que conduce a una cadena de eventos físicos y químicos que eventualmente pueden producir daño biológico. Alternativamente, la energía también se puede depositar en agua celular después de lo cual se produce una serie compleja de cambios químicos. Este proceso se llama radiolisis y debe ser visto como la acción indirecta de la radiación ionizante en las células vivas. Durante la radiolisis, se producen hidroxilo libre y otros radicales altamente reactivos. -11A pesar de su corta existencia (10-11 -10 -13 s), son capaces de difundir unos pocos micrómetros para alcanzar y dañar el ADN celular. Además, el oxígeno puede modificar la reacción permitiendo la creación de otras especies de radicales libres con mayor estabilidad y vida útil más larga. [2,3]

Efectos de la radiación biológica a nivel celular molecular (daño y reparación del ADN)

La exposición a la radiación puede conducir a una amplia gama de lesiones en el ADN y las proteínas. Estas lesiones comprenden roturas de cadena sencilla (SSB), roturas de doble cadena (DSB), daño de base, reticulaciones de proteína-proteína y reticulaciones de proteína-ADN. La radiación LET baja causa aproximadamente la misma cantidad de daño base que los SSB y solo unos pocos DSB. Sin embargo, los DSB deben ser vistos como las expresiones más extensas de daño por radiación, ya que se demostró que tanto en dosis altas como bajas, los DSB no reparados y mal preparados se correlacionan con la radiosensibilidad y la supervivencia. También hay evidencia experimental de un vínculo causal entre la generación de DSB y la inducción de translocaciones cromosómicas con potencial cancerígeno. 4]

La reparación de las lesiones de ADN se lleva a cabo esencialmente por reacciones enzimáticas. Se ha identificado una amplia gama de mecanismos de reparación del ADN. Existen una variedad de mecanismos de reparación del ADN, pero la mayoría de ellos dependen de la presencia de ADN de doble cadena con dos moléculas/copias de ADN complementarias de la información genética, una en cada cadena de la doble hélice. Si el daño se limita al daño de base y SSB, esos mecanismos incluyen la reparación de la escisión de la base, la reparación de la escisión de nucleótidos y la reparación de desajustes. La reparación de los DSB es más compleja e implica la unión de extremos no homólogos (NHEJ) y la recombinación homóloga. Si la reparación del ADN falla, la lesión celular puede manifestarse como mutación, aberraciones cromosómicas, transformación de la morfología celular, insuficiencia reproductiva o muerte celular. [5]

Se observa que la radiosensibilidad es una función del estado metabólico del tejido que se irradia (ley de Bergonié y Tribondeau, 1906): la sensibilidad a la radiación es (1) indirectamente proporcional al grado de diferenciación celular y (2) directamente proporcional a la actividad reproductiva. El bajo grado de diferenciación, la alta tasa de proliferación de células y la alta tasa de crecimiento para los tejidos dan como resultado un aumento de la radiosensibilidad. Esta es la razón por la que se considera que un feto es más sensible a la exposición a la radiación que un niño o un adulto maduro.

Tipo y energía de radiación – Transferencia de energía lineal (LET) y eficacia biológica relativa (RBE)

Cuando se irradia un tejido, la respuesta se determina principalmente por la cantidad de energía depositada por unidad de masa. La Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) define la dosis absorbida (D) como la energía media absorbida por unidad de masa de tejido u órgano (p. ej. 1 Gy = 1 J absorbido por 1 kg de masa corporal). Sin embargo, la densidad a la que se deposita la energía como una partícula cargada viaja a través de la materia por un tipo particular de radiación es un elemento importante para determinar el resultado biológico. Esta densidad se denota como la Transferencia de Energía Lineal (LET) (keV/μm) y debe considerarse como la derivada dE/dx, donde de la energía media es la energía media impartida localmente al medio por una partícula cargada de energía especificada para atravesar una distancia de dx. Los rayos X, γ y β (electrones) tienen valores de LET entre 0,2 y 10 keV/μm y se consideran como radiación de bajo rendimiento. Los protones, neutrones, partículas α y electrones Auger tienen valores de LET más altos entre 10 y 100 keV/μm y, por lo tanto, se consideran como radiación de LET alta. [6] Es evidente que la radiación de alto rendimiento conduce principalmente a la ionización directa del ADN y, por lo tanto, causa efectos biológicos. La radiación de bajo rendimiento, por otro lado, causa principalmente daño indirecto en el ADN a través de la radiolisis. [7] La acción directa de la radiación ionizante es predominantemente para la radiación de alto rendimiento, mientras que la acción indirecta es la reacción predominante después de la exposición de las células con radiación de bajo rendimiento.

Su efecto de la radiación de bajo rendimiento, como los fotones y los electrones, se caracteriza por curvas de supervivencia celular con un hombro pronunciado y una pendiente relativamente poco profunda en la parte lineal posterior. La radiación con un LET más alto muestra una densidad de ionización mucho mayor. Los golpes ocurren en estrecha sucesión. Su espaciado es tan pequeño que varios o muchos se encuentran dentro de la misma celda. Las curvas de supervivencia celular muestran un hombro estrecho o nulo. La parte lineal disminuye abruptamente.