Radiobiologia - Radiobiology

A radiobiologia (também conhecida como biologia da radiação e, raramente, como actinobiologia ) é um campo das ciências médicas básicas e clínicas que envolve o estudo da ação da radiação ionizante em seres vivos, especialmente os efeitos da radiação na saúde . A radiação ionizante é geralmente prejudicial e potencialmente letal para os seres vivos, mas pode ter benefícios para a saúde na radioterapia para o tratamento de câncer e tireotoxicose . Seu impacto mais comum é a indução de câncer com um período latente de anos ou décadas após a exposição. Doses altas podem causar queimaduras de radiação visualmente dramáticas e / ou fatalidade rápida por síndrome de radiação aguda . Doses controladas são usadas para imagens médicas e radioterapia .

Efeitos na saúde

Em geral, a radiação ionizante é prejudicial e potencialmente letal para os seres vivos, mas pode ter benefícios para a saúde na radioterapia para o tratamento do câncer e tireotoxicose .

A maioria dos efeitos adversos à saúde da exposição à radiação podem ser agrupados em duas categorias gerais:

  • efeitos determinísticos (reações nocivas aos tecidos) devido em grande parte à morte / mau funcionamento das células após altas doses; e
  • efeitos estocásticos, ou seja, câncer e efeitos hereditários envolvendo o desenvolvimento de câncer em indivíduos expostos devido à mutação de células somáticas ou doença hereditária em seus descendentes devido à mutação de células reprodutivas (germinativas).

Estocástico

Alguns efeitos da radiação ionizante na saúde humana são estocásticos , o que significa que sua probabilidade de ocorrência aumenta com a dose, enquanto a gravidade independe da dose. Câncer induzido por radiação , teratogênese , declínio cognitivo e doenças cardíacas são exemplos de efeitos estocásticos.

Seu impacto mais comum é a indução estocástica de câncer com um período latente de anos ou décadas após a exposição. O mecanismo pelo qual isso ocorre é bem conhecido, mas os modelos quantitativos que prevêem o nível de risco permanecem controversos. O modelo mais amplamente aceito postula que a incidência de câncer devido à radiação ionizante aumenta linearmente com a dose de radiação efetiva a uma taxa de 5,5% por sievert . Se este modelo linear estiver correto, a radiação de fundo natural é a fonte de radiação mais perigosa para a saúde pública em geral, seguida por imagens médicas em segundo lugar. Outros efeitos estocásticos da radiação ionizante são teratogênese , declínio cognitivo e doenças cardíacas .

Os dados quantitativos sobre os efeitos da radiação ionizante na saúde humana são relativamente limitados em comparação com outras condições médicas devido ao baixo número de casos até o momento e devido à natureza estocástica de alguns dos efeitos. Os efeitos estocásticos só podem ser medidos por meio de grandes estudos epidemiológicos, onde dados suficientes foram coletados para remover fatores de confusão, como hábitos de fumar e outros fatores de estilo de vida. A fonte mais rica de dados de alta qualidade vem do estudo dos sobreviventes da bomba atômica japonesa . Experimentos in vitro e em animais são informativos, mas a radiorresistência varia muito entre as espécies.

O risco adicional ao longo da vida de desenvolver câncer por uma única TC abdominal de 8 mSv é estimado em 0,05%, ou 1 um em 2.000.

Determinístico

Os efeitos determinísticos são aqueles que ocorrem com segurança acima de uma dose limite e sua gravidade aumenta com a dose.

A alta dose de radiação dá origem a efeitos determinísticos que ocorrem com segurança acima de um limiar, e sua gravidade aumenta com a dose. Os efeitos determinísticos não são necessariamente mais ou menos graves do que os efeitos estocásticos; em última análise, pode levar a um incômodo temporário ou uma fatalidade. Exemplos de efeitos determinísticos são:

O Comitê de Efeitos Biológicos da Radiação Ionizante da Academia Nacional de Ciências dos EUA "concluiu que não há evidências convincentes para indicar um limite de dose abaixo do qual o risco de indução de tumor é zero".

Estágio Sintoma Dose absorvida de corpo inteiro ( Gy )
1–2  Gy 2-6  Gy 6–8  Gy 8-30  Gy > 30  Gy
Imediato Náusea e vômito 5–50% 50-100% 75-100% 90-100% 100%
Hora de início 2–6 h 1–2 h 10–60 min <10 min Minutos
Duração <24 h 24-48 h <48 h <48 h N / A (pacientes morrem em <48 h)
Diarréia Nenhum Nenhum a leve (<10%) Pesado (> 10%) Pesado (> 95%) Pesado (100%)
Hora de início - 3-8 h 1–3 h <1 h <1 h
Dor de cabeça Pouco Leve a moderado (50%) Moderado (80%) Grave (80–90%) Grave (100%)
Hora de início - 4–24 h 3-4 h 1–2 h <1 h
Febre Nenhum Aumento moderado (10–100%) Moderado a grave (100%) Grave (100%) Grave (100%)
Hora de início - 1–3 h <1 h <1 h <1 h
Função CNS Sem prejuízo Comprometimento cognitivo 6-20 h Comprometimento cognitivo> 24 h Incapacitação rápida Convulsões , tremor , ataxia , letargia
Período latente 28-31 dias 7–28 dias <7 dias Nenhum Nenhum
Doença Leve a moderada Leucopenia
Fadiga
Fraqueza
Leucopenia moderada a grave,
púrpura,
hemorragia,
infecções,
alopecia, após 3  Gy
Leucopenia grave
Febre alta
Diarreia
Vômitos
Tonturas e desorientação
Hipotensão
Distúrbio eletrolítico
Náusea
Vômito
Diarreia intensa
Febre alta
Perturbação eletrolítica
Choque
N / A (pacientes morrem em <48h)
Mortalidade Sem cuidados 0–5% 5–95% 95-100% 100% 100%
Com cuidado 0–5% 5–50% 50-100% 99–100% 100%
Morte 6–8 semanas 4-6 semanas 2–4 semanas 2 dias - 2 semanas 1–2 dias
Fonte da tabela

Por tipo de radiação

Quando isótopos emissores de partículas alfa são ingeridos, eles são muito mais perigosos do que sua meia-vida ou taxa de decaimento poderiam sugerir. Isso se deve à alta eficácia biológica relativa da radiação alfa em causar danos biológicos após os radioisótopos emissores de alfa entrarem nas células vivas. Radioisótopos emissores alfa ingeridos, como transurânicos ou actinídeos, são em média cerca de 20 vezes mais perigosos e, em alguns experimentos, até 1000 vezes mais perigosos do que uma atividade equivalente de radioisótopos emissores beta ou gama. Se o tipo de radiação não for conhecido, ele pode ser determinado por medições diferenciais na presença de campos elétricos, campos magnéticos ou quantidades variáveis ​​de blindagem.

Quantidades de dose externa usadas na proteção contra radiação. Veja o artigo no sievert sobre como eles são calculados e usados.

Na gravidez

O risco de desenvolver câncer induzido por radiação em algum momento da vida é maior quando se expõe um feto do que um adulto, porque as células são mais vulneráveis ​​quando estão crescendo e porque há muito mais tempo de vida após a dose para desenvolver o câncer.

Os possíveis efeitos determinísticos incluem a exposição à radiação na gravidez, incluindo aborto espontâneo , defeitos congênitos estruturais , restrição de crescimento e deficiência intelectual . Os efeitos determinísticos foram estudados em, por exemplo, sobreviventes dos bombardeios atômicos de Hiroshima e Nagasaki e casos em que a radioterapia foi necessária durante a gravidez:

Idade gestacional Idade embrionária Efeitos Dose limite estimada ( mGy )
2 a 4 semanas 0 a 2 semanas Aborto espontâneo ou nenhum (tudo ou nada) 50 - 100
4 a 10 semanas 2 a 8 semanas Defeitos estruturais de nascença 200
Restrição de crescimento 200 - 250
10 a 17 semanas 8 a 15 semanas Grave deficiência intelectual 60 - 310
18 a 27 semanas 16 a 25 semanas Grave deficiência intelectual (menor risco) 250 - 280

O déficit intelectual foi estimado em cerca de 25 pontos de QI por 1.000 mGy entre 10 e 17 semanas de idade gestacional.

Esses efeitos às vezes são relevantes ao decidir sobre imagens médicas na gravidez , uma vez que a radiografia de projeção e a tomografia computadorizada expõem o feto à radiação.

Além disso, o risco para a mãe de adquirir posteriormente câncer de mama induzido por radiação parece ser particularmente alto para doses de radiação durante a gravidez.

Medição

O corpo humano não pode sentir a radiação ionizante, exceto em doses muito altas, mas os efeitos da ionização podem ser usados ​​para caracterizar a radiação. Os parâmetros de interesse incluem taxa de desintegração, fluxo de partícula, tipo de partícula, energia do feixe, kerma, taxa de dose e dose de radiação.

O monitoramento e cálculo de doses para salvaguardar a saúde humana é denominado dosimetria e é realizado dentro da ciência da física da saúde . As principais ferramentas de medição são o uso de dosímetros para fornecer a captação de dose externa efetiva e o uso de bioensaios para a dose ingerida. O artigo sobre o sievert resume as recomendações da ICRU e ICRP sobre o uso de quantidades de dose e inclui um guia para os efeitos da radiação ionizante medida em sieverts e dá exemplos de números aproximados de absorção de dose em certas situações.

A dose comprometida é uma medida do risco estocástico à saúde devido à ingestão de material radioativo no corpo humano. O ICRP declara "Para exposição interna, as doses efetivas comprometidas são geralmente determinadas a partir de uma avaliação da ingestão de radionuclídeos a partir de medições de bioensaios ou outras quantidades. A dose de radiação é determinada a partir da ingestão usando coeficientes de dose recomendados".

Dose absorvida, equivalente e efetiva

A dose absorvida é uma quantidade de dose física D que representa a energia média transmitida à matéria por unidade de massa por radiação ionizante . No sistema SI de unidades, a unidade de medida é joules por quilograma e seu nome especial é cinza (Gy). A unidade rad não-SI CGS também é algumas vezes usada, predominantemente nos EUA.

Para representar o risco estocástico, a dose equivalente H T e a dose efetiva E são usadas, e os fatores e coeficientes de dose apropriados são usados ​​para calculá-los a partir da dose absorvida. As quantidades de dose equivalentes e eficazes são expressas em unidades do sievert ou rem, o que implica que os efeitos biológicos foram levados em consideração. Geralmente, estão de acordo com as recomendações do Comitê Internacional de Proteção contra Radiação (ICRP) e da Comissão Internacional de Unidades e Medições de Radiação (ICRU). O sistema coerente de grandezas de proteção radiológica desenvolvido por eles é mostrado no diagrama anexo.

Organizações

A Comissão Internacional de Proteção Radiológica (ICRP) gerencia o Sistema Internacional de Proteção Radiológica, que define os limites recomendados para a dosagem. Os valores de dose podem representar dose absorvida, equivalente, eficaz ou comprometida.

Outras organizações importantes que estudam o tópico incluem

Vias de exposição

Externo

Um diagrama esquemático que mostra um retângulo sendo irradiado por uma fonte externa (em vermelho) de radiação (mostrado em amarelo).
Um diagrama esquemático que mostra um retângulo sendo irradiado por contaminação radioativa (mostrado em vermelho) que está presente em uma superfície externa, como a pele; este emite radiação (mostrada em amarelo) que pode entrar no corpo do animal

A exposição externa é a exposição que ocorre quando a fonte radioativa (ou outra fonte de radiação) está fora (e permanece fora) do organismo que está exposto. Exemplos de exposição externa incluem:

  • Uma pessoa que coloca uma fonte radioativa selada em seu bolso
  • Um viajante espacial que é irradiado por raios cósmicos
  • Uma pessoa que é tratada de câncer por teleterapia ou braquiterapia . Enquanto na braquiterapia a fonte está dentro da pessoa, ainda é considerada exposição externa, pois não resulta em uma dose comprometida .
  • Um trabalhador nuclear cujas mãos foram sujas de poeira radioativa. Supondo que suas mãos sejam limpas antes que qualquer material radioativo possa ser absorvido, inalado ou ingerido, a contaminação da pele é considerada exposição externa.

A exposição externa é relativamente fácil de estimar, e o organismo irradiado não se torna radioativo, exceto nos casos em que a radiação é um feixe de nêutrons intenso que causa ativação .

Por tipo de imagem médica

Órgãos alvo Tipo de exame Dose efetiva em adultos Tempo equivalente de radiação de fundo
TC da cabeça Série única 2 mSv 8 meses
Com + sem radiocontraste 4 mSv 16 meses
Peito TC do tórax 7 mSv 2 anos
TC de tórax, protocolo de rastreamento de câncer de pulmão 1,5 mSv 6 meses
Raio-x do tórax 0,1 mSv 10 dias
Coração Angiotomografia coronária 12 mSv 4 anos
Tomografia computadorizada de cálcio coronariana 3 mSv 1 ano
Abdominal TC de abdômen e pelve 10 mSv 3 anos
TC de abdômen e pelve, protocolo de baixa dose 3 mSv 1 ano
TC de abdômen e pelve, com + sem radiocontraste 20 mSv 7 anos
Colonografia CT 6 mSv 2 anos
Pielograma intravenoso 3 mSv 1 ano
Série gastrointestinal superior 6 mSv 2 anos
Série gastrointestinal inferior 8 mSv 3 anos
Coluna Raio-X da coluna 1,5 mSv 6 meses
TC da coluna 6 mSv 2 anos
Extremidades Radiografia de extremidade 0,001 mSv 3 horas
Extremidade inferior CT angiografia 0,3 - 1,6 mSv 5 semanas - 6 meses
Raio-X odontológico 0,005 mSv 1 dia
DEXA (densidade óssea) 0,001 mSv 3 horas
Combinação PET-CT 25 mSv 8 anos
Mamografia 0,4 mSv 7 semanas

interno

A exposição interna ocorre quando o material radioativo entra no organismo e os átomos radioativos são incorporados ao organismo. Isso pode ocorrer por inalação, ingestão ou injeção. Abaixo está uma série de exemplos de exposição interna.

  • A exposição causada pelo potássio-40 presente em uma pessoa normal .
  • A exposição à ingestão de uma substância radioactiva solúvel, tal como 89 Sr em vacas ' leite .
  • Uma pessoa que está sendo tratada de câncer por meio de um radiofármaco, no qual um radioisótopo é usado como medicamento (geralmente um líquido ou pílula). Uma revisão deste tópico foi publicada em 1999. Como o material radioativo se torna intimamente misturado ao objeto afetado, muitas vezes é difícil descontaminar o objeto ou pessoa em um caso de exposição interna. Embora alguns materiais muito insolúveis, como produtos de fissão dentro de uma matriz de dióxido de urânio , possam nunca ser capazes de realmente se tornarem parte de um organismo, é normal considerar essas partículas nos pulmões e no trato digestivo como uma forma de contaminação interna que resulta em exposição interna .
  • A terapia de captura de nêutrons de boro (BNCT) envolve a injeção de uma substância química marcada com boro-10 que se liga preferencialmente às células tumorais. Os nêutrons de um reator nuclear são moldados por um moderador de nêutrons para o espectro de energia de nêutrons adequado para o tratamento de BNCT. O tumor é bombardeado seletivamente com esses nêutrons. Os nêutrons desaceleram rapidamente no corpo para se tornar nêutrons térmicos de baixa energia . Esses nêutrons térmicos são capturados pelo boro-10 injetado, formando o excitado (boro-11) que se divide em lítio-7 e uma partícula alfa de hélio-4 , ambas produzindo radiação ionizante bem espaçada. Este conceito é descrito como um sistema binário que usa dois componentes separados para a terapia do câncer. Cada componente em si é relativamente inofensivo para as células, mas quando combinados para tratamento, eles produzem um efeito altamente citocida ( citotóxico ) que é letal (dentro de uma faixa limitada de 5-9 micrômetros ou aproximadamente um diâmetro de célula). Ensaios clínicos, com resultados promissores, são realizados atualmente na Finlândia e no Japão.

Quando os compostos radioativos entram no corpo humano, os efeitos são diferentes daqueles resultantes da exposição a uma fonte de radiação externa. Especialmente no caso da radiação alfa, que normalmente não penetra na pele, a exposição pode ser muito mais prejudicial após a ingestão ou inalação. A exposição à radiação é normalmente expressa como uma dose comprometida .

História

Embora a radiação tenha sido descoberta no final do século 19, os perigos da radioatividade e da radiação não foram imediatamente reconhecidos. Os efeitos agudos da radiação foram observados pela primeira vez no uso de raios-X, quando Wilhelm Röntgen intencionalmente submeteu seus dedos aos raios-X em 1895. Ele publicou suas observações sobre as queimaduras que se desenvolveram, embora as tenha atribuído erroneamente ao ozônio, um radical livre produzido em ar por raios-X. Outros radicais livres produzidos no corpo são agora considerados mais importantes. Seus ferimentos sararam mais tarde.

Como um campo das ciências médicas, a radiobiologia se originou da demonstração de Leopold Freund em 1896 do tratamento terapêutico de uma toupeira cabeluda usando um novo tipo de radiação eletromagnética chamada raios X , que foi descoberta 1 ano antes pelo físico alemão Wilhelm Röntgen . Depois de irradiar sapos e insetos com raios-X no início de 1896, Ivan Romanovich Tarkhanov concluiu que esses raios recém-descobertos não apenas fotografam, mas também "afetam a função vital". Ao mesmo tempo, Pierre e Marie Curie descobriram o polônio e o rádio radioativos usados ​​mais tarde para tratar o câncer .

Os efeitos genéticos da radiação, incluindo os efeitos sobre o risco de câncer, foram reconhecidos muito mais tarde. Em 1927, Hermann Joseph Muller publicou pesquisas mostrando efeitos genéticos e, em 1946, recebeu o prêmio Nobel por suas descobertas.

De maneira mais geral, a década de 1930 viu tentativas de desenvolver um modelo geral para a radiobiologia. Notável aqui foi Douglas Lea , cuja apresentação também incluiu uma revisão exaustiva de cerca de 400 publicações de apoio.

Antes que os efeitos biológicos da radiação fossem conhecidos, muitos médicos e empresas começaram a comercializar substâncias radioativas como remédios patenteados e charlatanismo radioativo . Os exemplos eram tratamentos com enema de rádio e águas contendo rádio para serem bebidas como tônicas. Marie Curie se manifestou contra esse tipo de tratamento, alertando que os efeitos da radiação no corpo humano não eram bem compreendidos. Curie morreu mais tarde de anemia aplástica causada por envenenamento por radiação. Eben Byers , uma famosa socialite americana, morreu de múltiplos cânceres (mas não de síndrome de radiação aguda) em 1932 após consumir grandes quantidades de rádio durante vários anos; sua morte chamou a atenção do público para os perigos da radiação. Na década de 1930, após uma série de casos de necrose óssea e morte de entusiastas, os produtos médicos que contêm rádio quase desapareceram do mercado.

Nos Estados Unidos, a experiência das chamadas Radium Girls , onde milhares de pintores de rádio contraíram câncer oral - mas nenhum caso de síndrome aguda de radiação - popularizou as advertências de saúde ocupacional associadas aos riscos da radiação. Robley D. Evans , no MIT , desenvolveu o primeiro padrão para carga corporal permissível de rádio , um passo fundamental no estabelecimento da medicina nuclear como um campo de estudo. Com o desenvolvimento de reatores nucleares e armas nucleares na década de 1940, maior atenção científica foi dada ao estudo de todos os tipos de efeitos da radiação.

Os bombardeios atômicos de Hiroshima e Nagasaki resultaram em um grande número de incidentes de envenenamento por radiação, permitindo uma maior compreensão de seus sintomas e perigos. O cirurgião do Hospital da Cruz Vermelha, Dr. Terufumi Sasaki, conduziu uma pesquisa intensiva sobre a Síndrome nas semanas e meses após os atentados a bomba em Hiroshima. O Dr. Sasaki e sua equipe foram capazes de monitorar os efeitos da radiação em pacientes de várias proximidades da própria explosão, levando ao estabelecimento de três estágios registrados da síndrome. Dentro de 25-30 dias após a explosão, o cirurgião da Cruz Vermelha notou uma queda acentuada na contagem de glóbulos brancos e estabeleceu essa queda, junto com os sintomas de febre, como padrões de prognóstico para a Síndrome de Radiação Aguda. A atriz Midori Naka , que esteve presente durante o bombardeio atômico de Hiroshima, foi o primeiro incidente de envenenamento por radiação a ser amplamente estudado. Sua morte em 24 de agosto de 1945 foi a primeira morte oficialmente certificada como resultado de envenenamento por radiação (ou "doença da bomba atômica").

A Atomic Bomb Casualty Commission e a Radiation Effects Research Foundation têm monitorado o estado de saúde dos sobreviventes e seus descendentes desde 1946. Eles descobriram que a exposição à radiação aumenta o risco de câncer, mas também que a vida média dos sobreviventes foi reduzida em apenas alguns meses em comparação com aqueles não expostos à radiação. Nenhum efeito de saúde de qualquer tipo foi detectado até agora nos filhos dos sobreviventes.

Áreas de interesse

As interações entre organismos e campos eletromagnéticos (EMF) e radiação ionizante podem ser estudadas de várias maneiras:

A atividade dos sistemas biológicos e astronômicos inevitavelmente gera campos magnéticos e elétricos, que podem ser medidos com instrumentos sensíveis e que às vezes foram sugeridos como base para idéias " esotéricas " de energia.

Fontes de radiação para radiobiologia experimental

Os experimentos de radiobiologia geralmente usam uma fonte de radiação que pode ser:

Veja também

Referências

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Fontes

Leitura adicional

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