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IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia Parte 3 Efectos Biológicos PROTECCIÓN.

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1 IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia Parte 3 Efectos Biológicos PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN RADIOTERAPIA

2 IAEA Title of Lecture2 Introducción !Lo que finalmente importa es el efecto biológico! La dosis al tumor determina la probabilidad de cura (o la probabilidad de paliación) La dosis a estructuras normales determina la probabilidad de efectos secundarios y complicaciones La dosis al paciente, al personal, y a los visitantes determina el riesgo de detrimento por radiación a estos grupos

3 IAEA Title of Lecture3 Introducción !Lo que finalmente importa es el efecto biológico! La dosis al tumor determina la probabilidad de cura (o la probabilidad de paliación) La dosis a estructuras normales determina la probabilidad de efectos secundarios y complicaciones La dosis al paciente, al personal, y a los visitantes determina el riesgo de detrimento por radiación a estos grupos. Altas dosis: Efectos Deterministas Bajas dosis: Efectos estocásticos

4 IAEA Title of Lecture4 Efectos deterministas Debido a muerte celular Tienen un umbral de dosis – por lo general varios Gy Específicos para los diversos tejidos La severidad del daño depende de la dosis dosis Severidad del efecto umbral

5 IAEA Title of Lecture5 Efectos estocásticos Debido a cambios celulares (ADN) y su proliferación hacia una enfermedad maligna Severidad (ejemplo; cáncer) independiente de la dosis No hay umbral de dosis – también aplicable a dosis muy pequeñas Probabilidad de efectos aumenta con la dosis dosis Probabilidad de efecto

6 IAEA Title of Lecture6 Dos objetivos La radioterapia deliberadamente aplica radiaciones a los pacientes para producir efectos deterministas (matar células tumorosas) – en este contexto se aceptan ciertos efectos deterministas y estocásticos (=efectos secundarios) La protección radiológica tiene el objetivo de minimizar el riesgo de efectos radiológicos inaceptables para el paciente (= complicaciones) debido a errores o una práctica de irradiación no optimizada; así como minimizar el riesgo de efectos dañinos en otros.

7 IAEA Title of Lecture7 … cierto margen de interpretación en la práctica Algunas complicaciones son eventos que no fueron predichos para un determinado paciente debido a variaciones biológicas entre los pacientes – aparecen con baja frecuencia (vea ICRP Report 86) La protección radiológica ha de referirse a la irradiación no intencional (ej. dosis errónea, paciente erróneo) y a la optimización de la administración para minimizar el riesgo de complicaciones

8 IAEA Title of Lecture8 Contenido de la Parte 3 Conferencia 1: Radiobiología de la protección radiológica Efectos deterministas, estocásticos y genéticos Magnitudes de las radiaciones relevantes Riesgos Conferencia 2: Radiobiología de la radioterapia Efectos deterministas; muerte celular Modelos radiobiológicos; efectos en el tiempo

9 IAEA Title of Lecture9 Objetivos de la Parte 3 Comprender los diversos efectos de las radiaciones sobre los tejidos humanos Apreciar la diferencia entre altas y bajas dosis; efectos deterministas y estocásticos Obtener nociones de los ordenes de magnitud de las dosis y sus efectos Apreciar los riesgos asociados al empleo de las radiaciones ionizantes como punto de partida para un sistema de protección radiológica

10 IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Radioterapia Parte 3 Efectos Biológicos Conferencia 1: Protección radiológica

11 IAEA Title of Lecture11 Contenido 1. Efectos biológicos de las radiaciones 2. De Gray a Sievert 3. Evidencia epidemiológica 4. Riesgos y restricciones de dosis

12 IAEA Title of Lecture12 1. Efectos de las Radiaciones La radiación ionizante interactúa a nivel celular: Ionización Cambios químicos Efectos biológicos célula núcleo cromosomas Radiación incidente

13 IAEA Title of Lecture13 Adaptado de Zaider 2000 Nota de precaución: La deposición de la energía en la materia es un evento aleatorio y la definición de dosis se circunscribe a volúmenes pequeños (ej. para una célula). La disciplina de microdosimetría tiene el objetivo de abordar este aspecto.

14 IAEA Title of Lecture14 El blanco en la célula: El ADN

15 IAEA Title of Lecture15 Procesos de los efectos de las radiaciones DuraciónEtapaProceso Física s Absorción de energía, ionización Físico- química s Interacción de iones con moléculas, formación de radicales libres Química segundos Interacción de radicales libres con moléculas, células y ADN Biológica decenas de minutos a decenas de años Muerte celular, cambio de la información genética en las células, mutaciones

16 IAEA Title of Lecture16 Observaciones tempranas de los efectos de las radiaciones ionizantes 1895 Rayos X descubiertos por Roentgen 1896 Primeros reportes de quemaduras en piel 1896 Primer empleo de rayos X para tratamiento del cáncer 1896 Becquerel: Descubrimiento de la radiactividad 1897 Primeros casos reportados de daño en la piel 1902 Primer reporte de cáncer inducido por rayos X 1911 Primer reporte de leucemia en humanos y cáncer de pulmón por exposición ocupacional 1911 Reportados en Alemania 94 casos de tumores (50 eran radiólogos)

17 IAEA Title of Lecture17 Monumento a los pioneros de las radiaciones que murieron a causa de su exposición

18 IAEA Title of Lecture18 Efectos de las radiaciones Tres tipos básicos Estocásticos - probabilidad de efecto relacionado con la dosis, disminuye al disminuir ésta Deterministas - umbral para efecto – por debajo, no hay efecto; por encima, hay certeza, y la severidad aumentan con la dosis Hereditarios - (genéticos) – incidencia estocástica asumida, sin embargo, se manifiesta en las generaciones futuras

19 IAEA Title of Lecture19 Efectos deterministas Debido a muerte celular Tienen un umbral de dosis Específicos para determinados tejidos Severidad del daño depende de la dosis Heridas por radiación desde una fuente industrial

20 IAEA Title of Lecture20 Ejemplos de efectos deterministas Descamado de la piel Cataratas del cristalino del ojo Esterilidad Fallo renal Síndrome agudo de radiación (cuerpo entero)

21 IAEA Title of Lecture21 Reacciones de la piel Daño a la piel por exposición prolongada a rayos X Afección Umbral de dosis a la piel (Sv) Semanas para manifestarse Eritema transiente temprano 2<<1 Depilación temporal33 Eritema principal61.5 Depilación permanente73 Descamado seco (piel)104 Fibrosis invasiva10 Atrofia dérmica11>14 Telangiectasis12>52 Descamado húmedo154 Eritema tardío Necrosis dérmica18>10 Ulceración secundaria20>6

22 IAEA Title of Lecture22 Dosis umbrales para efectos deterministas Cataratas del cristalino del ojo 2-10 Gy Esterilidad permanente – varones Gy – hembras Gy Esterilidad temporal – varones 0.15 Gy – hembras 0.6 Gy dosis Severidad del efecto umbral

23 IAEA Title of Lecture23 Notas sobre los valores umbrales Dependen del modo de administrar la dosis: – el más efectivo; una dosis única elevada – el fraccionamiento incrementa el umbral de dosis, en la mayoría de los casos, de forma significativa – disminuir la tasa de dosis incrementa el umbral en la mayoría de los casos El umbral puede ser diferente para los diferentes individuos

24 IAEA Title of Lecture24 Efectos estocásticos Debido a cambios celulares (ADN) y proliferación hacia una enfermedad maligna Severidad (ej. cáncer) independiente de la dosis No hay umbral de dosis (se presume que ocurren a cualquier dosis no importa cuan baja sea) La probabilidad de efecto se incrementa con la dosis

25 IAEA Title of Lecture25 Efectos biológicos A bajas dosis el daño a una célula es un efecto fortuito – haya o no habido transferencia de energía.

26 IAEA Title of Lecture26 … ordenes de magnitud 1cm 3 de tejido = 10 9 células 1 mGy --> 1 en 1000 o impacto en10 6 células 999 de 1000 lesiones son reparadas – quedando 10 3 células dañadas 999 de 1000 células dañadas mueren (nada serio puesto que millones de células mueren diariamente en toda persona) 1 célula puede vivir con daño (puede mutar)

27 IAEA Title of Lecture27 Inducción del cáncer El efecto estocástico más importante desde el punto de vista de la seguridad radiológica Es un proceso de múltiples etapas – generalmente tres: cada una requiere un evento… Es un proceso complejo que involucra células, la comunicación entre ellas y el sistema inmunológico...

28 IAEA Title of Lecture28 2. De Gy a Sv: Magnitudes y unidades de las radiaciones Exposición Dosis Absorbida Dosis Equivalente Dosis Efectiva

29 IAEA Title of Lecture29 Magnitudes de las radiaciones Dosis absorbida D La cantidad de energía transferida por unidad de masa en un material blanco Aplicable a cualquier radiación Se mide en gray (Gy) = 1 joule/kg La antigua unidad rad = 0.01 Gy

30 IAEA Title of Lecture30 Magnitudes de las radiaciones Dosis Equivalente H Tiene en consideración el efecto de las radiaciones sobre el tejido empleando un coeficiente de ponderación de las radiaciones W R Se mide en sievert (Sv) La antigua unidad rem = 0.01 Sv H = D w R

31 IAEA Title of Lecture31 Coeficientes de ponderación por tipo de radiación (ICRP 60) Tipo de radiacionWRWR Beta1 Alpha20 Rayos X1 Rayos gamma1 Neutrones <10 keV5 Neutrones (10 keV – 100 keV)10 Neutrones (100 keV – 2 MeV)20 Neutrones (2 meV – 20 MeV)10 Neutrones >2 MeV5

32 IAEA Title of Lecture32 Nota: La efectividad radiobiológica para diferentes tipos de radiaciones depende del último aspecto visto. Los valores del ICRP dados en la diapositiva anterior aplican solo para efectos estocásticos.

33 IAEA Title of Lecture33 Magnitudes de las radiaciones Dosis Efectiva E Toma en cuenta las diversas sensibilidades de los diferentes tejidos ante las radiaciones empleando Factores de Ponderación para Tejido w T Se mide en sievert (Sv) Se emplea cuando se irradian varios órganos a dosis diferentes, o a veces cuando un órgano se irradia por separado E = Sum all organs (w T H) = Sum all organs (w T w R D)

34 IAEA Title of Lecture34 Coeficientes de ponderación por tejido (ICRP 60) TejidoWTWT Gónadas0.2 Médula ósea (roja)0.12 Colon0.12 Pulmón0.12 Estómago0.12 Vejiga0.05 Mama0.05 Hígado0.05 Esófago0.05 Tiroides0.05 Piel0.01 Superficies óseas0.01 Resto0.05 TOTAL1.00

35 IAEA Title of Lecture35 TejidoWTWT Gónadas0.2 Médula ósea (roja)0.12 Colon0.12 Pulmón0.12 Estómago0.12 Vejiga0.05 Mama0.05 Hígado0.05 Esófago0.05 Tiroides0.05 Piel0.01 Superficies óseas0.01 Resto0.05 TOTAL1.00 Coeficientes de ponderación por tejido (ICRP 60) Los riesgos genéticos son considerados, aprox. 4 veces, de menor importancia que la inducción de cáncer

36 IAEA Title of Lecture36 Magnitudes de las radiaciones La dosis efectiva se emplea para describir la relevancia biológica de una exposición a las radiaciones en que diferentes tejidos/órganos reciben diversas dosis absorbidas, potencialmente a partir de diversas fuentes de radiación Los conceptos dados de dosis efectiva y de coeficientes de ponderación por tejido son solo de aplicación a los efectos estocásticos. La dosis efectiva es una cuantificación de riesgo

37 IAEA Title of Lecture37 Magnitudes de las radiaciones Dosis colectiva Se emplea para medir el impacto total de una práctica con radiaciones, o de una fuente, sobre todas las personas expuestas Por ejemplo radiología diagnóstico Se mide en hombre-sievert (hombre-Sv)

38 IAEA Title of Lecture38 Cuantificación de los efectos estocásticos Riesgo total de cáncer fatal para la población general en su vida = 5% / Sv Riesgo de cáncer fatal en la vida por cáncer de: – Médula ósea0.5 % / Sv – Superficie ósea0.05 – Mama0.2 % – Pulmón0.85 – Tiroides 0.08

39 IAEA Title of Lecture39 ¿Cómo es que se conocen estas cosas? Epidemiología (observaciones en humanos) Radiobiología experimental (estudios en animales) Biología de las radiaciones a nivel celular y molecular

40 IAEA Title of Lecture40 3. Evidencia epidemiológica

41 IAEA Title of Lecture41 3. Evidencia epidemiológica Fondo Anual Escáner CT Rayos-X de Tórax Fracción Típica de la Radioterapia

42 IAEA Title of Lecture42 Fuentes de radiación de fondo

43 IAEA Title of Lecture43 Contribuyentes a la exposición a las radiaciones en GB Total: 2-3 mSv/año

44 IAEA Title of Lecture44 Epidemiología de los riesgos de cáncer ESTUDIO DE DURACIÓN DE VIDA (Hiroshima y Nagasaki): Solo ~5% de 7,800 muertes de cáncer o leucemia se debieron a las radiaciones Otras evidencias (ejemplos) – Exposiciones de tiroides con I-131 en Escandinavia – Pintores de esferas con Radio – Chernobil – Tripulaciones de aviones – Muchos otros estudios

45 IAEA Title of Lecture45 Ejemplo de exposición a las radiaciones de una tripulación aérea a la radiación cósmica Exposición de tripulación de Nueva Zelanda Rutas Internacionales – 1000 horas por año, con 90% del tiempo a una altitud de 12 km – dosis anual de 6.5 mSv a partir de radiación cósmica Rutas Nacionales – 1000 horas por año, con 70% del tiempo a una altitud de 11 km – dosis anual de 3.5 mSv a partir de radiación cósmica Adaptado de L Collins 2000

46 IAEA Title of Lecture46 Evidencias epidemiológicas Datos de los Estudios de Tiroides 131-I de Hiroshima y Nagasaki ?

47 IAEA Title of Lecture47 Problemas con los datos a bajas dosis Los datos de cultivos celulares y de animales son de difícil extrapolación para humanos Experiencia en humanos – De no ser fortuita sino controlada Sería extremadamente antiético – Muchas suposiciones en el Estudio de duración de vida Pobre información de dosis (a parte o a todo el cuerpo) Condiciones existentes en paralelo desconocidas Estadísticas deficientes (pequeñas cantidades)

48 IAEA Title of Lecture48 ¿Qué pasa en el extremo de las bajas dosis del gráfico, por debajo de 100 mSv?

49 IAEA Title of Lecture49 Evidencias epidemiológicas La hipótesis lineal de no umbral, reducida a bajas dosis y bajas tasas de dosis por un factor de 2; se corresponde en general con los datos

50 IAEA Title of Lecture50 4. Estimados de riesgo Riesgo = probabilidad de efecto Se pueden examinar diferentes efectos – se necesita observar cuidadosamente el efecto a considerar: ej. ¡Mortalidad por cáncer de tiroides NO es igual a incidencia de cáncer de tiroides!!! Estimados de riesgo; generalmente obtenidos para altas dosis y extrapolados para bajas dosis

51 IAEA Title of Lecture51 La influencia de la tasa de dosis en los efectos estocásticos Estudios en ratones, comparando irradiación aguda con exposición crónica, muestran un factor de reducción de tasa de dosis entre 2 y 5 para acortamiento de la vida, y entre 1 y 10 para inducción de tumores. En humanos, los datos de los sobrevivientes de las bombas atómicas sugieren un Factor de eficacia de Dosis y Tasa de Dosis (DDREF) de 2.0 para leucemia y 1.4 para los restantes tipos de cáncer. Se debe aplicar un DDREF ya sea si la dosis total es < 200 mGy o si la tasa de dosis es menor de 0.1 mGy/min.

52 IAEA Title of Lecture52 Estimados de riesgo ICRP 60, resumen de riesgos de mortalidad por cáncer en la vida Estudios de muchos pacientes de RT muestran un riesgo de segunda aparición del cáncer de 5% Riesgo genético (ICRP 60): por Sv Alta dosis Alta tasa de dosis Baja dosis (0.2 Gy) Baja tasa de dosis (<0.1 Gy/h) Población trabajadora0.08 por Sv0.04 por Sv Población general (incluye adolesc. y niños) 0.10 por Sv0.05 por Sv

53 IAEA Title of Lecture53 Comparación de los riesgos del trabajador con radiaciones respecto a otros trabajadores tasa media de muertes 1989 (10 -6 /a) Comercio40 Producción60 Servicios40 Gobierno90 Transporte240 Construcción320 exposición máx. permisible Minas/canteras430 una vez en la vida Agricultura400 Industrias seguras 2 mSv/a

54 IAEA Title of Lecture54 Fundamentos de los límites de exposición Los límites han cambiado con el tiempo Información biológica – Los límites son más restrictivos, los riesgos de cáncer son mayores a lo considerado en los años 1950s Filosofía social Capacidad para controlar las exposiciones

55 IAEA Title of Lecture55 Comentarios sobre el feto/embrión El feto/embrión es más sensible a la radiación ionizante que el adulto humano Evidencias en aumento de abortos espontáneos pocos días después de la concepción Incidencia en aumento – Retraso mental – Microcefalia (pequeñas dimensiones de la cabeza) especialmente de 8-15 semanas después de la concepción – Malformaciones: del esqueleto, retardo del crecimiento, genitales Mayor riesgo de cáncer (esp. leucemia) – Tanto en la infancia como posteriormente

56 IAEA Title of Lecture56 El feto/embrión es más sensible a la radiación ionizante que el adulto humano Evidencias en aumento de abortos espontáneos pocos días después de la concepción Incidencia en aumento – Retraso mental – Microcefalia (pequeñas dimensiones de la cabeza) especialmente de 8-15 semanas después de la concepción – Malformaciones: del esqueleto, retardo del crecimiento, genitales Mayor riesgo de cáncer (esp. leucemia) – Tanto en la infancia como posteriormente Comentarios sobre el feto/embrión Efecto determinista Efecto estocástico

57 IAEA Title of Lecture57 Tipos de efectos después de irradiación intrauterina Tiempo después de la concepción Efecto Incidencia normal en nac. vivos Primeras 3 semanas No efectos determ. o estoc. en los nac. vivos - 3ra a 8va semanas Probab. de malformación de órganos a 0.06 (1 en 17) 8va a 25va semanas Probab. de retraso mental severo b 5 x (1 en 200) 4ta sem. – resto de per. gestación Cáncer en la infancia o en la adultez c 1 x (1 en 1000) aEfecto determinista. Umbral ~ 0.1 Gy bAfect. 30 udes IQ: 8-15ta sem.;

58 IAEA Title of Lecture58 Incidencia de muertes y anomalías prenatales y neonatales Hall, Radiobiología para el Radiólogo pág. 365

59 IAEA Title of Lecture59 Riesgos genéticos Se sabe que las radiaciones ionizantes provocan mutaciones hereditarias en muchas plantas y animales PERO Estudios intensivos a descendientes de sobrevivientes de las bombas atómicas no han logrado identificar ningún incremento de anomalías congénitas, cáncer, aberraciones cromosómicas en linfocitos circulantes, ni mutaciones en proteínas de la sangre. Neel y colab., Am. J. Hum. Genet. 1990, 46:

60 IAEA Title of Lecture60 Efectos estocásticos no cancerígenos de las radiaciones Los datos del LSS han sido analizados para determinar la mortalidad no cancerígena de los fallecidos entre 1950 y Se detectó un incremento estadístico significativo en función de la dosis de radiación para: – Accidentes cerebrovasculares – Enfermedades cardiacas – Enfermedades respiratorias – Enfermedades digestivas Shimizu T y colab., Radiation Research, 1999; 152:

61 IAEA Title of Lecture61 Riesgo de muerte promedio anual en GB debido a accidentes industriales y a cáncer debido al trabajo con radiaciones Tomado de L Collins 2000 Minería de carbón1 in 7,000 Extracción de petróleo y gas1 in 8,000 Construcción1 in 16,000 Trabajo con radiaciones (1.5 mSv/año)1 in 17,000 Metalurgia1 in 34,000 Todos los tipos de fabricación1 in 90,000 Producción química1 in 100,000 Todos los servicios1 in 220,000

62 IAEA Title of Lecture62 Resumen La inducción de cáncer constituye el riesgo más significativo de la exposición a radiaciones ionizantes a bajas dosis La inducción de cáncer es un efecto estocástico A elevadas dosis de radiación también influyen los efectos deterministas

63 IAEA Title of Lecture63 Resumen: Magnitudes de las dosis Dosis absorbida (Gy gray) Energía transferida al tejido Dosis equivalente (Sv sievert) Dosis absorbida modificada por un factor de ponderación de las radiaciones Dosis Efectiva (Sv sievert) Dosis de radiación de cuerpo completo – una medida del riesgo

64 IAEA Title of Lecture64 Resumen (3) Los riesgos se pueden calcular Sin embargo: – Sus valores numéricos son generalmente pequeños y pueden no ser comprendidos – Las medidas a aplicar para evitar o minimizar los riesgos dependen de interpretación y de los beneficios que se perciben – esto puede variar significativamente de persona a persona así como entre sociedades Las restricciones de dosis se pueden seleccionar de modo que se igualen los niveles de riesgo de otras profesiones

65 IAEA Title of Lecture65 ¿Dónde obtener más información? De las partes 2 y 4 del curso International Commission on Radiological Protection (ICRP) Reports. – En especial: The 1990 recommendations if the International Commission on Radiological Protection, ICRP report 60. Oxford: Pergamon Press; International Commission on Radiation Units and Measurements (ICRU) Reports

66 IAEA Title of Lecture66 ¿Preguntas?

67 IAEA Title of Lecture67 Pregunta ¿Por qué es limitada nuestra información sobre los efectos de las radiaciones a bajas dosis de radiación (ej. < 20mSv)?

68 IAEA Title of Lecture68 La respuesta debe incluir pero no limitarse a: La dosimetría es difícil a niveles próximos al valor del fondo Evidencia epidemiológica limitada La investigación y experimentación en humanos son éticamente imposibles Los efectos (de haberlos) son pocos Probablemente existe un efecto de la dosis y de la tasa de dosis – a bajas dosis y tasas de dosis los efectos de las radiaciones tienden a ser menores que a altas dosis.


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