EFEITO DA RADIAÇÃO IONIZANTE EM CÉLULAS PARTE I

Efeitos da radiação ionizante em células 1895 _descoberta dos raios X e da radioatividade natural W. K. Roentgen Henry Becquerel aparecimento da radiodermite 1902 _primeiro caso de câncer radioinduzido (câncer de pele) 1911 _mais de 100 casos de câncer de pele 1927 _H. J. Muller e Drosophila (radiogenética) a radiação ionizante pode afetar o patrimônio genético II Guerra Mundial _avaliação mais detalhada Radiobiologia _ênfase maior nas últimas décadas Melhor conhecimento da radiação _numerosos benefícios _proteção contra os efeitos nocivos

RADIAÇÃO RADIAÇÃO IONIZANTE UNSCEAR: “não existe uma dose “segura” de exposição de radiação sob o ponto de vista genético, sendo que qualquer exposição à radiação pode envolver um certo risco de indução de efeitos hereditários e somáticos” Radiações de baixas doses importância radiobiológica (<200 mSv, < 0,1mSv/min)

COMO A RADIAÇÃO IONIZANTE CAUSA SEUS EFEITOS? absorção de E da radiação organismos vivos EFEITO BIOLÓGICO transferência de E da radiação moléculas biológicas E não há deposição de energia nenhum efeito E deposição de energia reparo célula danificada célula normal E dano letal morte celular E dano subletal danifica a célula sem causar morte célula alterada interação da radiação com as células vivas manifestações biológicas eventos pouco conhecidos

E exitação Mecanismo Indireto 1014 células ionização H2O ----H + OH Mecanismo Direto DNA alvo 105 genes DNA lesado 10-6 mutações / gene / divisão celular reparo correto não reparo reparo errôneo DNA restaurado DNA mutado morte celular célula mutada viável célula normal apoptose célula somática célula germinativa Doenças hereditárias (transmissíveis) Catarata Malformações Síndromes da radiação Diminuição da longevidade Envelhecimento precoce Indução do câncer efeitos determinísticos efeitos estocásticos

EFEITOS DETERMINÍSTICOS (há limiar) De acordo com o UNSCEAR (1993), o limiar é cerca de: - INDUÇÃO DE ESTERILIDADE (para indivíduos sadios): 0,15 Gy (exposições agudas) temporária 0,4 Gy/ano (exposições crônicas) No homem 3,5 - 6 Gy (exposições agudas) permanente 2 Gy/ano (exposições crônicas) 2,5 - 6 Gy (exposições agudas) Na mulher permanente 0,2 Gy/ano (exposições crônicas) - INDUÇÃO DE CATARATA 2 - 10 Gy (radiação de baixa LET) 1 - 2 Gy (radiação de alta LET) 0,15 Gy/ano (radiação de baixa LET) exposições agudas exposição crônica

- EXPOSIÇÕES NA PELE 3 - 5 Gy com aparecimento de sintomas cerca de 3 semana após exposição eritema e descamação necrose nos tecidos 50 Gy após 3 semanas de exposição - DECRÉSCIMO NO NÚMERO DE CÉLULAS SANGUÍNEAS 0,5 Gy (exposição aguda de toda a medula) Depressão na formação do sangue 0,4 Gy/ano - RETARDO MENTAL (exposição intra – uterina) período sensível (0,12 a 0,2 Gy) 8–15 semanas após a concepção (período de organogênese) retardo mental severo em cerca de 40% dos indivíduos expostos uma dose de 1 Sv

- SÍNDROME AGUDA DA RADIAÇÃO (IRRADIAÇÃO DE CORPO INTEIRO) Hematopoiético: 2 – 10 Gy ( morte dentro de 10 – 30 dias) Gastrointestinal: 10 –100 Gy (morte dentro de 3 – 5 dias) Sistema nervoso central: 100 – 1000 Gy (morte dentro de 1 – 2 dias) - MORTE CELULAR INDIVIDUAL efeito estocástico - MORTE DE UM GRANDE NÚMERO D ECÉLULAS efeito determinístico (disfunção do órgão ou tecido)

EFEITOS DIRETOS E INDIRETOS DAS RADIAÇÕES E interage com moléculas vizinhas Água Ácidos nucleicos Proteínas Lipídeos Carboidratos E interage diretamente no DNA

Radiólise da água H2O H2O+ + e- e- + H2O H2O- H2O+ + H2O H+ + H2O + OH H2O- + H2O OH- + H2O + H H+ + OH- H2O H2O H + OH reações secundárias OH + OH H2O2 H + H H2 H + H2O OH + H2 H + OH H2O RH + OH R + H2O Presença de O2 e- + O2 O2- O2- + H2O2 OH- + HO2 (radical peroxila) H + O2 HO2 HO2 + H H2O2 OH + H2O2 H2O+ + HO2 R + O2 RO2 (peróxido orgânico)

LESÃO NO NÚCLEO E NO CITOPLASMA Radicais livres Espécies ativas de O2 Núcleo (DNA) Fe ++ + H2O2 Fe+++ + OH + OH- O2- + Fe+++ O2 + Fe++ Reação de Fenton O2- + H2O2 OH + OH- + O2 Fe dano oxidativo no DNA mutação transformação maligna morte celular envelhecimento câncer

LESÃO NO NÚCLEO E NO CITOPLASMA Radicais livres Espécies ativas de O2 carboidratos proteínas lípides Citoplasma (membranas) membranas formação de peróxidos lipídicos alterações das propriedades das membranas alteração no potencial inativação de substâncias receptoras ligadas à membrana mudança de permeabilidade perda da integridade decréscimo de fluidez escoamento de Ca++ e outros íons aumento da suscetibilidade da membrana ao ataque enzimático LISE CELULAR

VÁRIOS TIPOS DE LESÕES INDUZIDAS NO DNA POR RADIAÇÃO IONIZANTE DÍMERO D E PIRIMIDINA QUEBRA DA FITA SIMPLES ACÚCAR AÇÚCAR PERDA DA BASE QUEBRA DA FITA DUPLA QUEBRA DE PONTES DE HIDROGÊNIO

RADIOSSENSIBILIDADE CELULAR Radiação ionizante qualquer tipo de célula do organismo Células radiossenbilidade diferente Fatores que influenciam o efeito da radiação dose taxa de dose fracionamento da dose exposição aguda ou crônica tipo de radiação LET RBE FATORES FÍSICOS presença ou não de antioxidante tensão de O2 (Efeito O2) teor hídrico FATORES QUÍMICOS agentes modificadores estado proliferativo (Lei de Bergonie e Tribondeau) fase do ciclo celular estado fisiológico ou metabólico constituição genética da célula FATORES BIOLÓGICOS

FATORES FÍSICOS DOSE > dose > dano biológico TAXA DE DOSE Taxa de dose = dose aplicada por unidade de tempo Taxa de dose alta > taxa de dose baixa < tempo de exposição > tempo de exposição reparo

DL50 dose letal para 50% dos integrantes da população exposta de corpo inteiro 100 Valores típicos de DL50(30) para exposição total de animais a radiação X ou gama 75 % Letalidade Organismo DL50(30) (Gy) Cão 3,5 Porco da Índia 4 Homem 2,5 - 4,5 Camundongo 5,5 Macaco 6 Rato 7,5 Coelho 8 Galinha 6 Peixe dourado 23 Sapo 7 Tartaruga 15 50 25 2,5 5,0 7,5 10,0 DL 50 (30) Dose (Gy) Típico gráfico para determinação da DL50(30) para ratos expostos a irradiação de corpo inteiro por raios X

FRACIONAMENTO DA DOSE Uma única exposição > forma fracionada dose total seja a mesma reparo dose única = doses fracionadas inexistência de reparo Fracionamento da dose em radioterapia Poupa os tecidos sadios - reparo do dano subletal - repopulação das células - reoxigenação de células tumorais Aumenta o dano no tumor - redistribuição de células nas fases radiosensíveis do ciclo celular

TIPO DE RADIAÇÃO - LET e RBE quantitativamente independe tipo de radiação Efeito Biológico quantitativamente depende tipo de radiação mesma quantidade de E mesmo número de pares de íons formados Doses equivalentes de diferentes tipos de radiação não produzem efeitos biológicos quantitativamente similares 1Gy de nêutrons > 1 Gy de raios X diferença no padrão de deposição de E da radiação Efeitos biológicos deposição de E da radiação Deposição de E e a sua distribuição na matéria tipo de radiação

LET = quantidade de E média depositada na matéria (keV/mm) unidade de distância percorrida RADIAÇÕES DE ALTA LET > RADIAÇÕES DE BAIXA LET (partícula a, nêutrons) (raios X, raios gama)

RBE = dose de raios X (250 kV) (mesmo efeito biológico) dose de outro tipo de radiação Curva de sobrevida de células de mamíferos em cultura, irradiadas com neutron e com R-X R-X - fração de sobrevida de 0,01 = 10 Gy n - fração de sobrevida de 0,01 = 6,6 Gy R-X - fração de sobrevida de 0,6 = 3 Gy n - fração de sobrevida de 0,6 = 1 Gy RBE = 1,5 RBE = 3 Explicação: R-X: há shoulder neutron : curva exponencial RBE vai depender da dose

LET  100 keV/mm (LET ótima) RBE atinge o valor máximo reflete o tamanho do “alvo” que é similar para todas as células de mamíferos densidade de ionização distância média entre os eventos ionizantes coincide com o  da dupla hélice de DNA (2 nm) Radiações de LET ótimo: n de algumas centenas de keV -p de baixa E -partículas a

FATORES QUÍMICOS EFEITO O2 Na presença do O2 sistemas biológicos tornam - mais sensíveis à radiação (hipóxia ou anóxia) radiação X ou g 2 e 3 Taxa de aumento do O2 (OER) nêutron 1 e 2 a 1 (não ocorre a radiossensibilidade pelo O2) Habilidade do O2 em potencializar a eficácia de uma dada dose de radiação EFEITO DO O2 O2 modifica quantitativamente o dano da radiação, mas não altera qualitativamente O2 necessita estar presente no momento da irradiação Concentração muito pequena de O2 suficiente para induzir um efeito radiobiológico Tecidos normais (20 - 40 mm Hg) bastante oxigenados

Mecanismos - age diretamente na molécula - alvo O2 nível de lesões químicas iniciais impede o reparo - age em nível de radicais livres responsáveis pelo efeito O2 O2 + R RO2 (peróxidos orgânicos) O2 potencializa a lesão inicial induzida pela radiação

FATORES CELULARES ESTADO PROLIFERATIVO Mais radiossensíveis células que mais rapidamente se dividem 1906 Bergonie e Tribondeau RADIOSSENSIB. CELULAR = atividade mitótica grau de especialização

FASE DO CICLO CELULAR células em mitose ou em G2 mais sensíveis células na fronteira G1 / S mais resistentes variação no nível de compostos contendo grupamentos SH Hipóteses atividade de enzimas de reparo configuração ou grau de condensação do DNA CONSTITUIÇÃO GENÉTICA DA CÉLULA (capacidade de reparo) diferentes níveis de indução de dano no DNA + eficiência de reparo radiossensibilidade intrínseca celular

CLASSIFICAÇÃO DE CÉLULAS DE MAMÍFEROS QUANTO À RADIOSSENSIBILIDADE GRUPO 1: linfócitos eritoblastos espermatogonias GRUPO 2: células granulosas mielócitos células intestinais célualas germinativas da camada epidérmica da pele GRUPO 3: células glandulares gástricas células endoteliais de vasos sanguíneos GRUPO 4: osteoblastos osteoclastos condroblastos espermatócitos e espermátides GRUPO 5: granulócitos osteócitos espermatozóides GRUPO 6: fibroblastos células endoteliais de grandes vasos sanguíneos eritrócitos GRUPO 7: fibrócitos condrócitos fagócitos GRUPO 8: células musculares células nervosas

RADIOSSENSIBILIDADE DE LINFÓCITOS Características normalmente não se dividem células especializadas e diferenciadas células altamente radiossensíveis relação volume nuclear / citoplasma grande escassos em citoplasma