Notiuni fundamentale de radiobiologie

Aciunea radiaiilor asupra organelor i esuturilor Cunoaterea aciunii radiaiilor asupra esuturilor i organelor este important, aceasta decurgnd din inevitabilitatea iradierii lor mpreun cu tumoarea, n cadrul tratamentului radiant.Radiaiile i manifest efectul ealonat, pe anumite faze, ntregul proces radiopatologic ncepnd cu modificri fizico-chimice primare i pn la simptomatologia bolii de iradiere. n funcie de doza primit, celula iradiat prezint o serie de leziuni morfologice, funcionale i metabolice, care sunt cu att mai pregnante cu ct doza este mai mare. Cele mai constante leziuni ale celulei iradiate sunt picnoza nuclear i kariorexul iar citoplasm conine debriuri nucleare. Dac doza de iradiere este suficient de mare, celula apare hipertrofiat se lizeaz prin fenomenul brutal de radiocitoliz, fenomen care coincide cu moartea celulei iradiate.

Dup Borstel (1961), exist 3 modaliti de rspuns celular la aciunea letal a radiaiilor: - inhibarea mitozei; - moartea genetic prin pierderea genelor eseniale supravieuirii; - moartea litic (imediat). Radiobiologiastudiaza modul n care radiatiile ionizante interactioneaza cu sistemele biologice, precum si efectele acestei interactii.Radiatiile ionizanteau suficienta energie pentru scoate electroni din atomi sau molecule, producnd astfel ionizari n mediul iradiat. Energia radiatiei care produce o ionizare trebuie sa fie mai mare sau egala cu energia de legatura n atomul sau molecula respectiva a electronului eliberat. Radiobiologia Radiatiile ionizantesunt de doua tipuri:a)radiatii electromagnetice:X,g, UV dure(avndl< 120 nm)b)radiatii corpusculare(compuse din particule materiale):-radiatii de particule ncarcate electric:radiatia radiatii de ioni grei-radiatii de particule fara sarcina electrica:neutroni

Radioactivitateaeste proprietatea unor nuclee instabile de a emite radiatii n mod spontan. n mod generic, spunem ca un nucleu radioactiv se dezintegreaza si emite radiatie (sau ca se produce o dezintegrare radioactiva).

Radioactivitatea poate fi artificiala sau naturala.

Radioactivitatea naturalase datoreaza prezentei elementelor radioactive naturale. Atomii acestor elemente au nuclee instabile, care dupa un timp emit radiatie, trecnd astfel ntr-o stare stabila.Radioactivitateaartificialaeste indusa prin bombardarea unor nuclee stabile cu fotoni, neutroni sau particule ncarcate. In acest fel nucleele bombardate devin radioactive.Radiatia poate fi:

-naturala,cuprinznd:radiatii cosmice

radiatii terestre (produse de elemente radioactive naturale din roci, sol, radonul dinstructura cladirilor etc.)

- artificiala care cuprinde:

-radiatii produse n diferite proceduri medicale

RadioterapiaRadiodiagnoza-n laboratoare (de cercetare sau n sistemul de educatie)radiatii produse de diferite dispozitive electrocasnice (televizoare, ceasuri luminoase, detectoare de fum etc.) radiatii datorate unor accidente nucleare, poluarii etc. Numeroasele studii i cercetri au artat c la nivelul celulei iradiate au loc rupturi cromosorniale (prin mecanism neprecizat). Aceste rupturi cromozomiale pot evolua ulterior spre o reparaie integral, care poate avea loc cu reconstituirea structurii iniiale dinaintea iradierii, fie cu reuniunea vicioas a fragmentelor rezultate din ruptur, ducnd astfel la constituirea de anomalii cromozomiale.

S-au semnalat numeroase anomalii cromosorniale, din care amintim:dileia: pierderea de material genetic prin rupere, fr centromer;translocaia: schimbul de material genetic ntre doi cromosomi neomologi, prin repararea greit a cromozomilor rupi;duplicaia: fuzionarea centric a cromosomilor rupi la nivelul centromerului;inversiunea: are loc inversarea extremitilor cromozomului rupt, cel proximal, devenind distal i invers;cromozomi inelari: realipirea capetelor rupte ale aceluiai cromosom;inseria: inserarea n ruptura unui cromosom a fragmentului provenit prin ruptur dubl a acestuia.

n afar de efectele menionate mai sus, mai au loc fenomene de degenerescent gras, glicogenic i amiloid, diminuarea vscozitii protoplasmei, creterea permeabilitii membranei, inhibiia micrii celulare, modificarea reproducerii etc. Radiosensibilitatea este n funcie de o serie de factori extrinseci (timp, spaiu, lungime de und, mediu", factori fizici, chimici, biologici) i intrinseci. n acest sens -a stabilit o scar de sensibilitate a esuturilor n urmtoarea ordine descrescnd: limfatic, timus, mduva osoas, ovar, testicol, mucoase, glande sudoripare, salivare, sebacee, epiderm, seroase, rinichi, suprarenale, ficat, pancreas, tiroid, muchi, esut conjunctiv, esut catilaginos, ganglioni nervoi, nervi; ca ansamblu de unitate structural au fost stabilite embrionul, ftul, sistemul hematoformator, capilarele, cartilajele aflate n cretere, mamela, pielea, cristalinul clasificare fcut n funcie de aciunea razelor X.-poate fi suportat de individul care a fost examinat sau lucreaz n mediul respectiv i este admisibil dac se repet limitele stabilite de normele de protecie contra efectelor nocive ale razelor ionizante, ns dozele infime se cumuleaz la nivelul gonadelor, care nu mai sunt capabile de a se reface dup iradiere: apare riscul genetic, cu repercusiuni asupra descendenilor (dominante sau recesive).Riscul somatic In cazul n care doza a fost suficient de mare, se instaleaz ulterior necroza de coagulare sau lichefiere cu pierdere de substan, care poate interesa epiteliile, oasele, cartilajele i excepional muscular sau nervos.

Efectul radiaiilor asupra esuturilor i organelor poate fi n funcie de cronologia instalrii, imediat, i ntrziat. Se consider ca efect imediat, cel care apare n cursul radioterapie i eventual n urmtoarele luni (exemplu: eritropenia).Efectul tardiv se instaleaz la mai multe luni sau ani. dup iradiere (exemplu: efectul cancerigen).

n ceea ce privete efectul ntrziat, se poate spune c nu devine evident dect dup lung timp (exemplu: iradierea cartilajului de conjugare a oaselor lungi la copil apare doar odat cu creterea osului). n funcie de modul de reparare a leziunii produse de iradiere, vorbim de efect reversibil i efect ireversibil. La nivel cutanat, radioleziunea se caracterizeaz n funcie de doz prin eritem, epilaie, pigmentaie, epiderma uscat (radioepidermita descuamativ), epidermita exumativ (radioepidermita umed), radiodermita acut i n final, necroza acut. Epiteliul mucoaselor este mai sensibil dect epidermul, iar reaciile apar la doze ceva mai mici i cu cea. 7 zile mai repede dect cele epidermice, purtnd numele de epitelite. O form particular la acest nivel este epitelioza (omolog epidermitei exudative la acest nivel). Glandele sebacee i sudoripare sunt distruse de dozele epidermice. Unghiile pot fi afectate dac sunt iradiate-cu doze tumoricide

O molecula poate sa fie afectata de radiatie sau poate sa reactioneze cu alte molecule afectate de radiatie.Sub actiunea radiatiei, o molecula poate fi ionizata sau excitata.Prin reactiile chimice induse de radiatii, se produc siradicali liberi, care sunt atomi, molecule sau fragmente de molecule care au un electron cu spin necompensat. Radicalii liberi sunt extrem de nocivi deoarece sunt foarte reactivi, avnd un timp mediu de viata foarte scurt, de ordinul 10-6s. Aceasta caracteristica a radicalilor liberi se datoreaza faptului ca starea moleculara n care un electron are spinul necompensat este extrem de instabila, molecula reactionnd usor cu alte molecule pentru a compensa spinul electronului.n interiorul celulelor majoritatea interactiilor radiatiei sunt cu moleculele de apa.Radioliza apeiDaca radiatia cedeaza energie unei molecule de apa, molecula de apa este ionizata sau excitata:H2OH2O++ e-(ionizare)H2OH2O*(excitare)Ionizarile si excitarile se produc de-a lungul traiectoriei particulei ionizante incidente. Dupa ce sunt generate, moleculele excitate sau ionizate au tendinta de a difuza n mediu. Procesul de difuzie este nsa relativ lent n comparatie cu alte reactii care se pot produce la timpi extrem de scurti de la trecerea particulei ionizante.Astfel de reactii sunt:H2O+H++ OHH2O++ H2OH3O++ OHH3O+este ionul de hidrogen hidratat;OHeste radicalul hidroxil.

Heste radicalul hidrogen.De asemenea, electronul extras prin ionizare se hidrateaza cu 4 molecule de apa, devenindelectron hidratat(sau electron solvatat).Deoarece aceste reactii se produc foarte repede, n jurul traiectoriei particulei incidente se formeaza o aglomerare de radicali liberi, electroni solvatati si alti produsi ai reactiilor de mai sus, nainte ca acestia sa difuzeze n mediu.

EFECTE CHIMICE ALE RADIAIILORProdusii moleculari ai acestor reactii si radicalii

liberi care nu au reactionat difuzeaza n mediu, unde pot reactiona cu alte molecule. Radicalul Hnu are sarcina neta. n apa pura are un timp de viata de 1ms.

Radicalul OHare 9 sarcini pozitive si 9 sarcini negative, deci nu are sarcina neta. Are un electron mai putin dect este necesar pentru a fi stabil. n apa puraOHare un timp de viata de 1ms. n prezenta oxigenului, efectele radiatiilor sunt mai severe. Acest efect al oxigenului este important n radioterapie, deoarece tumorile cu aport sanguin redus sunt mai radiorezistente.

Vorbim despreefectele directe ale radiatiilor ionizanteatunci cnd ne referim la excitarile si ionizarile produse de radiatia primara sau radiatiile secundare (fotoni, particule ncarcate sau neutroni emisi n urma interactiilor radiatiei primare cu atomii si moleculele din substanta).Efectele indirecte ale radiatiilor ionizantesunt excitarile si ionizarile produse de radicalii liberi care se formeaza prin reactii radiochimice. EFECTE BIOLOGICE ALE RADIAIILOR

Prin excitarile si ionizarile produse n urma iradierii sunt afectate macromolecule importante: ADN, ARN, proteine, lipide, hormoni etc.O molecula excitata poate emite radiatie electromagnetica, poate produce radicali liberi sau poate suferi ruptura unei legaturi chimice.Un atom ionizat poate emite radiatie X caracteristica sau electroni Auger, poate induce ruperea unei legaturi moleculare sau poate capta un electron liber din mediu(acest ultim proces nu este nociv).Ca urmare, n molecula de ADN se pot produce alterari la nivelul bazelor azotate,dimerizarea timinei, rupturi simple/multiple ale catenei cu peroxidarea capetelor, formare de legaturi cu molecule proteice (cross-links).Toate aceste modificari pot induce mutatii, erori de transcriere a codului genetic, erori de replicare a ADN-ului, erori de diviziune celulara, producere de fragmente de cromozomi.Structura si secventa moleculei ADN sunt conservate ntr-un mod strict pe parcursul ciclului de diviziune celulara (ciclul celular). Modificarile moleculei de ADN afecteaza att capacitatea de proliferare ct si supravietuirea celulara.Erorile spontane de replicaresileziunile ADNproduse de radiatii sau alti agenti fizico-chimici activeazamecanisme enzimatice de reparare.n cazul n care procesul de reparare este dificil, apar erori de reparare, secventa ADN-ului este modificata, producndu-se astfelmutatii genetice.Exista treitipuri de mutatii:mutatii punctuale- estemodificatao singura pereche de bazeinsertii- suntadaugateuna sau mai multe perechi de baze consecutive3.stergeri-se pierduna sau mai multe perechi de baze consecutivestergerile sunt mutatiile cu rolul cel mai important n raspunsul celular la iradiere. Printr-o stergere este compromisa functia a cel putin unei proteine.Producerea de mutatii ale anumitor gene implicate n controlul ciclului celular poate induce oncogeneza.

Legea Bergoni - Tribondeau

Un tesut este cu att mai radiosensibil cu ct este mai putin diferentiat si cu ct n el au loc mai multe mitoze.Radiosensibilitatea tesutului creste cu temperatura, gradul de hidratare si oxigenare, precum si cu pH-ul (la pH alcalin: pH > 7).ADN-ul si ARN-ul sunt foarte sensibile la radiatii n special n metafaza. De asemenea, mecanismele de reparare a leziunilor ADN-ului sunt mai putin active n mitoza.Cele mai radiorezistente tesuturi sunt tesutul nervos si tesutul muscular.n schimb, tesuturile caracterizate de o frecventa crescuta a mitozelor sunt cele mai radiosensibile: tesutul epitelial, maduva hematogena si gonadele.Daca celulele sunt mai nti expuse la o doza foarte mica de radiatii (~ 1 rad), ele devin mai putin sensibile la o doza mare ulterioara. Acest proces se numesteraspuns radioadaptivsauhormeza. Mecanismele moleculare ale hormezei nca nu au fost elucidate pna n prezent.n urma iradierii cu o doza mare, celulele radioadaptate au o viteza mai mare de reparare a leziunilor ADN-ului, prezinta mai putine aberatii cromozomiale si mutatii, iar susceptibilitatea la stergeri si rearanjari cromozomiale este mai mica dect la celulele netratate cu doza foarte mica de radiatii.Studii detaliate pe populatii expuse la un fond natural de radiatii ridicat au demonstrat ca hormeza reduce mortalitatea indusa prin mbatrnire si cancer. Este recomandata o doza minima anuala de 1 rad.Administrarea unor doze mari (1 Gy) n timp scurt (cel mult cteva ore) determina alterarea imediata a procesului de diviziune celulara la celulele mitotice (cele mai importante efecte sunt la limfocite, maduva osoasa, celulele intestinale).Toate efectele asupra organismului (inclusiv moartea) au o doza caracteristica de prag: exista o doza minima de siguranta sub care efectul nu apare. Doza de prag depinde si de debitul dozei. Spunem ca aceste efecte sunt deterministe: pentru producerea efectului trebuie ca un numar minim de celule sa fie lezate.La doze mici ( 0,2 Gy) apar efecte stocastice, care nu au un prag al dozei si nu depind de debitul dozei, ci de doza totala acumulata. Cele mai importante sunt inducerea cancerului (care apare cu ntrziere) si diverse efecte genetice, care afecteaza descendentii

Problemele de baz ale radiobiologiei sunt urmtoarele:-explicarea, la nivel moleculara efectului radiaiilor ionizante asupra organismelor;-efectele iradierii;-stabilirea dozelor maxime pe care le pot suporta fiinele vii, fr s apar efecte negative i elaborarea pe aceast baz a regulilor de lucru cu substane radioactive.Radiobiologia are aplicaii nmedicina, n selecia i ameliorarea animalelor i plantelor de cultur.

Activitatea unei surse radioactive(L) reprezinta rata medie de dezintegrare a nucleelor radioactive din sursa, adica numarul mediu de dezintegrari radioactive care se produc n sursa n unitatea de timp.Fondul natural de radiatiireprezinta totalitatea radiatiilor ionizante naturale prezente n atmosfera.

http://ro.wikipedia.org/wiki/Radiobiologiehttp://www.scritube.com/biologie/RADIOBIOLOGIE12331.phpBibliografieProiect realizat de : Pintea Crina Popa Andreea Predescu Bianca Puscasu Bianca