En radiobiología , la eficacia biológica relativa (a menudo abreviada como RBE ) es la relación entre la eficacia biológica de un tipo de radiación ionizante en relación con otro, dada la misma cantidad de energía absorbida . El RBE es un valor empírico que varía según el tipo de radiación ionizante, las energías involucradas, los efectos biológicos que se consideren como la muerte celular y la tensión de oxígeno de los tejidos o el llamado efecto oxígeno .
Solicitud
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, incluido el tipo de radiación, la energía y el tipo de tejido. La eficacia biológica relativa puede ayudar a medir mejor el efecto biológico de la radiación. La efectividad biológica relativa de la radiación de tipo R en un tejido se define como la relación
donde D X es una dosis de radiación absorbida de referencia de un tipo X estándar , 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 diferentes tipos de radiación tienen una eficacia biológica diferente principalmente porque transfieren su energía al tejido de diferentes formas. 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 separados por varios cientos de nanómetros (varias décimas de micrómetro ) a lo largo de su trayectoria. En contraste, las partículas alfa y los neutrones, mucho más masivos, dejan un rastro más denso de átomos ionizados a su paso, espaciados alrededor de una décima parte de un nanómetro (es decir, menos de una milésima parte de la distancia típica entre ionizaciones para fotones y partículas beta). .
Los RBE se pueden utilizar para los riesgos de cáncer / hereditarios ( estocásticos ) o para efectos de reacciones tisulares nocivas ( deterministas ). Los tejidos tienen diferentes RBE según el tipo de efecto. Para radiación de LET alta (es decir, alfas y neutrones), las RBE para efectos deterministas tienden a ser más bajas que las de efectos estocásticos. [1]
El concepto de RBE es relevante en medicina, como en radiología y radioterapia , y para la evaluación de los riesgos y consecuencias de la contaminación radiactiva en diversos contextos, como el funcionamiento de centrales nucleares , la eliminación y reprocesamiento de combustible nuclear, las armas nucleares , la extracción de uranio , y seguridad de las radiaciones ionizantes .
Relación con los factores de ponderación de la radiación (W R )
Para calcular la dosis equivalente a un órgano o tejido, la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) ha definido un conjunto estándar de factores de ponderación de 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 SI de grises o rads no SI ) en una dosis equivalente biológica formal para la exposición a la radiación (medida en unidades de sieverts o rem ). Sin embargo, la ICRP declara: [1]
"Las cantidades de dosis equivalente y dosis efectiva no deben usarse 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]. A tales efectos, las dosis deben evaluarse en términos de absorción dosis (en gris, Gy), y cuando estén implicadas radiaciones de alta LET (p. ej., neutrones o partículas alfa), se debe utilizar una dosis absorbida, ponderada con una RBE adecuada "
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, por simplicidad, 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 los externos (externos a la célula). ) fuentes. No se han desarrollado factores de ponderación de radiación para fuentes internas de iones pesados, como un núcleo de retroceso.
Los valores estándar de la ICRP 2007 para la efectividad relativa se dan a continuación. Cuanto mayor sea el factor de ponderación de la radiación para un tipo de radiación, más dañino es, y esto se incorpora al cálculo para convertir de unidades grises a sievert.
Radiación | Energía W R (anteriormente Q ) |
---|---|
rayos X, rayos gamma, partículas beta, muones | 1 |
neutrones (<1 MeV) | 2,5 + 18,2 e - [ln ( E )] 2 /6 |
neutrones (1-50 MeV) | 5,0 + 17,0 e - [ln (2 E )] 2 /6 |
neutrones (> 50 MeV) | 2,5 + 3,25 e - [ln (0,04 E )] 2 /6 |
protones, piones cargados | 2 |
partículas alfa, productos de fisión nuclear, núcleos pesados | 20 |
Los factores de ponderación de la radiación que van de la energía física al efecto biológico no deben confundirse con los factores de ponderación de los tejidos . Los factores de ponderación tisular se utilizan para convertir una dosis equivalente a 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. .
metodos experimentales
Normalmente, la evaluación de la eficacia biológica relativa se realiza en varios tipos de células vivas cultivadas en medio de cultivo , incluidas células procariotas como bacterias , células eucariotas simples como plantas unicelulares y células eucariotas avanzadas derivadas de organismos como ratas . Las dosis se ajustan al punto LD-30; es decir, a la cantidad que hará que el 30% de las células se vuelvan incapaces de someterse a la división mitótica (o, para las bacterias, a la fisión binaria ), por lo que se esterilizarán eficazmente, incluso si aún pueden realizar otras funciones celulares. LD-50 se usa más comúnmente, pero quien dibujó la gráfica no se dio cuenta de que la línea de cuadrícula más cercana a la mitad entre los factores de 10 en una gráfica logarítmica es en realidad 3, no 5. Los valores LD-50 son en realidad 1 gris para iones de carbono y 3 grises para fotones.
Los tipos R de radiación ionizante más considerados en la evaluación de la RBE son los rayos X y la radiación gamma (ambas compuestas por 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.
Dependencia del tipo de tejido
Al principio se descubrió 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 estándar X es generalmente un haz de rayos X con fotones de 250 keV o rayos gamma de cobalto 60 . Como resultado, la efectividad biológica relativa de la radiación beta y de fotones es esencialmente 1.
Para otros tipos de radiación, la RBE no es una cantidad física bien definida, ya que varía algo con el tipo de tejido y con el lugar preciso de absorción dentro de la célula. Así, por ejemplo, el RBE para la radiación alfa es 2-3 cuando se mide en bacterias , 4-6 para células eucariotas simples y 6-8 para células eucariotas superiores. Según una fuente, puede ser mucho mayor (6500 con rayos X como referencia) en los ovocitos. [3] El RBE de neutrones es de 4 a 6 para las bacterias, de 8 a 12 para las células eucariotas simples y de 12 a 16 para las células eucariotas superiores.
Dependencia de la ubicación de origen
En los primeros experimentos, las fuentes de radiación eran todas externas a las células irradiadas. Sin embargo, dado que las partículas alfa no pueden atravesar la capa muerta más externa de la piel humana, pueden causar un daño significativo solo si provienen de la descomposición de los átomos dentro del cuerpo. Dado que el rango de una partícula alfa es típicamente aproximadamente 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 haberse subestimado sustancialmente. [4] Las mediciones de RBE con fuentes externas también descuidan la ionización causada por el retroceso del núcleo padre debido a la desintegración alfa. Si bien el retroceso del núcleo padre del átomo en descomposición generalmente transporta solo alrededor del 2% de la energía de la partícula alfa emitida por el átomo en descomposición, su rango es extremadamente corto (alrededor de 2-3 angstroms), debido a su alta carga eléctrica y gran masa . Se requiere que el núcleo padre 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 de los cromosomas, que tienen afinidad por los metales pesados. [5] [6] [7] La mayor parte de los estudios, que utilizan fuentes externas a la célula, arrojaron RBE entre 10 y 20. [8]
Historia
En 1931, Failla y Henshaw informaron sobre la determinación de la eficacia biológica relativa (RBE) de los rayos X y los rayos γ. Este parece ser el primer uso del término 'RBE'. Los autores señalaron que la RBE dependía del sistema experimental que se estaba estudiando. Algo más tarde, fue señalado por Zirkle et al. (1952) que la eficacia biológica depende de la distribución espacial de la energía impartida y la densidad de ionizaciones por unidad de longitud de trayectoria de las partículas ionizantes. Zirkle y col. acuñó el término "transferencia de energía lineal (LET)" para ser utilizado en radiobiología para la potencia 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 energético de la radiación como del tipo de tejido vivo. Los primeros experimentos sistemáticos para determinar la RBE se realizaron en esa década. [ cita requerida ]
Ver también
- Radiación de fondo
- Transferencia de energía lineal (LET)
- Teoría de la acción de la radiación dual
Referencias
- ^ a b c "Las recomendaciones de 2007 de la Comisión Internacional de Protección Radiológica" . Anales de la ICRP . Publicación 103 de la CIPR. 37 (2–4). 2007. ISBN 978-0-7020-3048-2. Consultado el 17 de mayo de 2012 .
- ^ Sinclair DW (enero de 2003). "Eficacia biológica relativa (RBE), factor de calidad (Q) y factor de ponderación de radiación (Wr)" . Anales de la ICRP . Publicación 92 de la CIPR. 33 (4). ISBN 978-0-08-044311-9.
- ^ Nagasawa, H .; Little, JB (15 de noviembre de 1992). "Inducción de intercambios de cromátidas hermanas por dosis extremadamente bajas de partículas alfa". Investigación del cáncer . 52 (22): 6394–6396. ISSN 0008-5472 . PMID 1423287 .
- ^ Winters TH, Di Franza JR (febrero de 1982). "Radiactividad en el tabaquismo". La Revista de Medicina de Nueva Inglaterra . 306 (6): 364–5. doi : 10.1056 / NEJM198202113060613 . PMID 7054712 .
- ^ Zhu G, Zhang CY (diciembre de 2014). "Sensores funcionales basados en ácidos nucleicos para ensayos de iones de metales pesados". El analista . 139 (24): 6326–42. Código Bibliográfico : 2014Ana ... 139.6326Z . doi : 10.1039 / C4AN01069H . PMID 25356810 .
- ^ Barton JK (1994). "Capítulo 8: interacciones metal / ácido nucleico" (PDF) . En Bertini I, Gray HB, Lippard SJ, Valentine JS (eds.). Química bioinorgánica . Mill Valley, California: Univ. Libros de ciencia. págs. 455–503. ISBN 0-935702-57-1.
- ^ Kim S, Shin W, Warrant R (1985). "Interacción iónico-ácido nucleico de metales pesados". Métodos de difracción de macromoléculas biológicas Parte A . Métodos en enzimología. 114 . págs. 156–67 . doi : 10.1016 / 0076-6879 (85) 14016-4 . ISBN 978-0-12-182014-5.
- ^ Chambers DB, Osborne RV, Garva AL (2006). "Elección de un factor de ponderación de radiación alfa para dosis a biota no humana". Revista de radiactividad ambiental . 87 (1): 1–14. doi : 10.1016 / j.jenvrad.2005.10.009 . PMID 16377039 .
enlaces externos
- Efectividad biológica relativa en la terapia con haz de iones