Aula 8 Efeitos biológicos das radiações nos seres vivos - parte 2

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Radiobiologia e Dosimetria
Aula 8: Efeitos biológicos das radiações nos seres vivos - parte
2
Apresentação
Abordaremos a natureza dos efeitos biológicos e a diferenciação dos efeitos físicos, químicos e biológicos, resultantes de
exposição à radiação ionizante.
Veri�caremos como ocorre o processo de indução de doenças decorrentes da exposição a radiações ionizantes
relacionando os efeitos biológicos com os valores de exposição a ela.
Objetivos
Examinar conceitos importantes referentes a grandezas como LET e RBE, que contribuem para o entendimento da
relação entre o câncer e o sistema biológico irradiado;
Diferenciar os efeitos produzidos por radiações de Baixo LET e alto LET.
Conceito de dose
Para a medição do efeito produzido pela radiação ionizante a nível macroscópico se utiliza o conceito de dose. A dose
corresponde ao valor esperado de energia depositada pela partícula incidente na matéria por unidade de massa pontual. Sua
unidade no sistema internacional é o Gray (Gy), em que Gy=J/kg.
Como será visto mais adiante, o dano biológico está relacionado à quantidade de ionizações produzidas pela radiação no meio.
Na passagem da radiação por um material, parte da energia se consome nas ionizações dos átomos que liberam elétrons com
determinada energia cinética. A energia depositada é proporcional ao número de ionizações, e, portanto, a dose �ca
diretamente relacionada a o dano biológico produzido.
"O dano biológico vai depender também do tipo de partícula e da energia. Assim é
necessário, para a análise do dano biológico das radiações, o conceito de Transferência
Linear de Energia (LET, Linear Energy Transfer)."
- (MILAN, 2006)
Transferência linear de energia
A transferência linear de energia, ou LET, avalia a quantidade de energia recebida pelo meio por unidade da distância percorrida
pela partícula no meio. Pode-se considerar que o LET é uma estimativa da energia transferida para o meio na forma de energia
cinética para elétrons.
Essa expressão considera todos os níveis de energia e, em proteção radiológica, pode ser chamada de Transferência Linear de
Energia Irrestrita. O mais comum é que a LET seja obtida para água, e sua unidade no SI seja o (j.m ).
Uma distinção importante da LET para o Stopping Power é que, apesar das duas grandezas se referirem à transferência de
energia, a LET avalia a energia transferida por fótons aos elétrons de um meio qualquer. A tabela abaixo mostra alguns valores
de LET para radiações.
L = dE
dx
-1
Radiação Energia (MeV) L (keV.µm )
Radiação gama do Co 1,25 0,2
Raios x produzido com 250 kV Até 250 keV 2
prótons 10 4,7
prótons 150 0,5
alfa 2,5 166
lons de Fe 2000 1000
 Tabela: Valores de LET para alguns tipos de radiação e energia, em água. (OKUNO, 2013)
-1
60
Pode-se a�rmar que a LET vai depender do tipo de radiação, da energia
(como vimos acima) e do meio. Raios-X e raios gama são considerados
como radiações de baixo LET ou ligeiramente ionizantes. Por outro lado,
nêutrons rápidos, prótons e partículas carregadas pesadas são
considerados de alto LET ou altamente ionizantes.
Entretanto, o fato de ter fornecido uma mesma dose num meio com radiação de altas e baixas LET não indica que os efeitos
biológicos sejam iguais. Em ambos os casos a energia depositada é a mesma, mas a distribuição espacial dos processos de
ionização será diferente. As partículas de alto LET produzem muitas ionizações ao longo do seu caminho, ao contrário das
partículas de baixo LET, nas quais esse número não é tão grande.
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E�ciência biológica relativa (RBE)
A E�ciência Biológica Relativa, ou Relative Biological Effectiveness (RBE), mede a in�uência da qualidade de um tipo de radiação
na produção de efeitos radiobiológicos no tecido e nos sistemas biológicos irradiados. Ela depende da dose de radiação, da
taxa de dose, do fracionamento da dose e da idade da pessoa exposta.
A RBE é uma função da qualidade da radiação, a qual é expressa pela Transferência Linear de Energia (LET), que representa a
perda média de energia, por colisão, de uma partícula carregada por unidade de comprimento da trajetória no tecido irradiado.
A RBE é de�nida pela relação adimensional. (THAUATA, 2013)
Dose é a dose da radiação de referência necessária para produzir um especí�co nível de resposta e Dose é a
dose da radiação A necessária para produzir igual resposta.
RBE (A) =
Dose
referência
Dose
radiação A
referência radiação A
Pode-se a�rmar que a RBE é dependente de outros fatores como a taxa de
dose, fracionamento da dose, órgão ou tecido irradiado e da idade do
indivíduo irradiado.
Pode-se a�rmar que as radiações γ, β + e β – e raios X são considerados radiações de baixo LET. Os raios X e a radiação γ
foram incluídos devido ao fato de que, após a primeira interação com a matéria, aparecem elétrons por efeito fotoelétrico, por
espalhamento Compton ou por formação de pares. Por esta razão, essas radiações são conhecidas como indiretamente
ionizantes.
Os elétrons Auger são também considerados radiações de baixo LET, mas podem apresentar valores de RBE maiores do que os
demais elétrons. Entretanto, se o radionuclídeo que os emite não penetrar na célula, os elétrons Auger são incapazes de
produzir efeitos biológicos devido ao seu pequeno alcance.
Para os que penetram na célula, mas não se incorporam ao DNA, o RBE é de 1,5 a 8. Para os que se incorporam no DNA, como
o 125I, o RBE de seus elétrons Auger �ca na faixa de 20 a 40. (THAUATA, 2013)
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Pode-se a�rmar que as radiações γ, β + e β – e raios X são considerados radiações de baixo LET. Os raios X e a radiação γ
foram incluídos devido ao fato de que, após a primeira interação com a matéria, aparecem elétrons por efeito fotoelétrico,
por espalhamento Compton ou por formação de pares. Por esta razão, essas radiações são conhecidas como
indiretamente ionizantes.
Os elétrons Auger são também considerados radiações de baixo LET, mas podem apresentar valores de RBE maiores do
que os demais elétrons. Entretanto, se o radionuclídeo que os emite não penetrar na célula, os elétrons Auger são
incapazes de produzir efeitos biológicos devido ao seu pequeno alcance.
Para os que penetram na célula, mas não se incorporam ao DNA, o RBE é de 1,5 a 8. Para os que se incorporam no DNA,
como o 125I, o RBE de seus elétrons Auger �ca na faixa de 20 a 40. (THAUATA, 2013)
Radiações de baixo LET 
As radiações consideradas de alto LET são aquelas que possuem um alto poder de ionização e uma alta taxa de
transferência de energia num meio material. (THAUATA, 2013)
Tais radiações, mesmo produzindo o mesmo valor de dose absorvida, provocam mais dano biológico, e são conhecidas
como diretamente ionizantes. São consideradas radiações de alto LET as partículas alfa, íons pesados, fragmentos de
�ssão e nêutrons. As partículas carregadas interagem com os átomos situados à frente da linha de incidência e nas
proximidades, devido à ação da sua carga elétrica e sua massa.
Radiações de alto LET 
In�uência do LET na indução do câncer
Radiações de baixo LET
Devido à proteção radiológica, os valores de dose comumente medidos no cotidiano são relativamente baixos (mGy, micro Gy).
Para esses valores, não existem estudos epidemiológicos su�cientes para indicar um limiar e/ou o formato aproximadamente
exato da curva dose – resposta.
A solução é a realização de uma extrapolação, levando em consideração as informações obtidas para doses maiores (acima de
0,1 Gy) a �m de obter informações sobre a indução do câncer devido a radiações que produzem baixas doses. O
comportamento dos efeitos biológicos que resultam em tumores cancerosos pode ser descrito da seguinte forma:
1. Em casos em que os valores de dose são extremamente baixos, há carência de dados inequívocos e, por esta razão,
considera-se que a incidência do câncer tenha probabilidade proporcionalà dose absorvida.
2. Quando os valores de dose são elevados, a probabilidade de incidência de câncer varia, na maioria dos casos, com o
quadrado da dose. Esses dados foram obtidos de vítimas de Hiroshima e Nagasaki, acidentes radiológicos e experiências
em laboratório.
3. Quando os valores de dose são elevados, a probabilidade de indução de câncer diminui devido à alta frequência de morte
celular, impedindo evolução para uma neoplasia.
Radiações de alto LET
Para as radiações de alto LET, o fracionamento da dose produz o mesmo efeito ou até o aumenta, sendo um fenômeno
denominado de efeito reverso da taxa de dose. As radiações de alto LET causam mais danos por unidade de dose do que as de
baixo LET (THAUATA, 2013).
Efeito das radiações ionizantes na água
A molécula de água é a mais abundante em um organismo
biológico. A água participa praticamente de todas as
reações metabólicas em um organismo. Na espécie
humana, são cerca de 2 x 1025 moléculas de água por
quilograma, o que re�ete a composição química da célula e
permite a�rmar que, em caso de exposição às radiações, as
moléculas atingidas em maior número serão moléculas de
água. Moléculas de água irradiadas sofrem radiólise. (CNEN,
2010)
A �gura ao lado demonstra o efeito causado pela interação
da radiação ionizante com a água.
 Figura: Processo de radiólise na água (fonte:CNEN)
Efeitos físicos da radiação ionizante
Quando o indivíduo é exposto à radiação ionizante, há o surgimento de elétrons e íons livres nos locais atingidos, bem como de
radicais produzidos na quebra das ligações químicas e energia cinética adicional decorrentes da transferência de energia da
radiação ao material do tecido, por colisão.
Parte desta energia pode ser dissipada através da excitação de
átomos e moléculas, no processo de excitação, sob a forma de fótons.
Tratando-se de radiações eletromagnéticas (raios X e gama), estes
efeitos são identi�cados de maneira mais homogênea e distribuída
devido ao grande poder de penetração e modo de interação.
Para radiações corpursculares, os efeitos são diferentes: No caso da partícula beta, os efeitos são mais super�ciais, podendo
chegar a vários milímetros, dependendo da energia da radiação. Já as partículas alfa não conseguem penetrar nem um décimo
de milímetro na pele de uma pessoa. Seus efeitos provocados por exposições externas são pouco relevantes.
Entretanto, caso haja inalação ou ingestão de radionuclídeos emissores de partícula alfa, o dano pode ser extremamente
severo, produzindo acometimento das células de alguns órgãos e/ou tecidos devido ao fato de serem emitidas no interior do
corpo humano. Esta fase física tem uma duração da ordem de 10 segundos.-13
"Se o material irradiado for o ar, e se a radiação for fótons X ou gama, a relação entre a
carga adicional, de mesmo sinal, e a massa permite definir a Exposição."
- (THAUATA, 2013)
Efeitos químicos
Os efeitos químicos são caracterizados pela desestruturação das ligações químicas entre os átomos e moléculas devido à
ionização e às ligações químicas que ocorrem nas células na tentativa de reestruração. Nesta fase, as células podem alcançar
a reparação completa do dano através da reintegração da estrutura química das ligações.
A recuperação pode ser parcial, na qual a célula recupera parte da ligação química e, por consequência, possui um
comprometimento parcial de sua funcionalidade. Caso a célula não se recupere, a ruptura nas ligações químicas leva à morte
celular.
Efeitos biológicos e orgânicos
A radiação nuclear sempre fez parte do nosso cotidiano. Ela pertence ao nosso ecossistema e a luz solar é uma fonte natural
radioativa. Por ano, um ser humano absorve entre 110 milirem a 150 milirem de radiação de fontes diversas. Por exemplo,
qualquer ser humano submetido a um exame de detecção de radiação obterá um resultado de concentração de potássio
radioativo, que foi acumulado pelo consumo de batata (o cigarro apresenta chumbo e polônio radioativos.).
Quando expostas à radiação ionizante, as células do tecido biológico
podem sofrer danos devido à ação de eventos físicos, químicos e
biológicos, que começam com a interação da radiação com os átomos
que formam essas células. A ionização dos átomos afeta as
moléculas, que poderão causar danos às células e,
consequentemente, aos tecidos e órgãos, até afetarem o
funcionamento do corpo inteiro.
O efeito biológico constitui a resposta natural de um organismo, ou parte dele, a um agente agressor ou modi�cador. O
surgimento destes efeitos não signi�ca uma doença. A reação de um indivíduo à exposição de radiação depende de diversos
fatores, tais como:
1. Quantidade total de radiação recebida;
2. Quantidade total de radiação recebida anteriormente pelo organismo, sem recuperação;
3. Textura orgânica individual;
4. Dano físico recebido simultaneamente com a dose de radiação (queimadura, por exemplo);
5. Intervalo de tempo durante o qual a quantidade total de radiação foi recebida.
Sobre os efeitos orgânicos, é possível a�rmar que as doenças surgem quando a quantidade ou a frequência dos efeitos
biológicos produzidos pela radiação começam a desestabilizar o organismo humano. Geralmente, essa desestabilização se
manifesta no comprometimento funcional de um órgão e no surgimento de diversos sintomas clínicos, os quais evidenciam a
incapacidade de recuperação do organismo.
Logo, o possível aparecimento de um tumor cancerígeno radioinduzido signi�ca quase o �nal de uma história de danos, reparos
e propagação de vários anos após o período de irradiação. A ocorrência de leucemia nos japoneses, vítimas das bombas de
Hiroshima e Nagasaki, obteve seu máximo cinco anos depois.
"As queimaduras originárias de manipulação de fontes de Ir, em acidente com
irradiadores de gamagrafia, aparecem horas após. Porém, os efeitos orgânicos mais
dramáticos, como a redução de tecido ou possível perda dos dedos, podem levar até seis
meses para acontecer. "
- (THAUATA, 2013)
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 Atividade
1. Pode-se considerar que o LET é uma estimativa da energia transferida para o meio na forma de energia cinética para
elétrons, que avalia:
a) A quantidade de energia recebida pelo meio por unidade da distância percorrida pela partícula no meio.
b) A quantidade de energia recebida pelo meio por unidade de tempo de permanência da partícula no meio.
c) O nível de interações produzidas pela radiação eletromagnética no meio por unidade da distância percorrida pela partícula no meio.
d) O nível de interações produzidas pela radiação eletromagnética no meio por unidade de tempo de permanência da radiação no meio.
e) A quantidade de energia cedida pelo meio por unidade da distância de tempo de permanência da partícula no meio.
2. Suponha que, em um acidente radiológico, um homem é exposto à radiação alfa com energia de 2,5 MeV, prótons com
energia de 150 MeV e radiação gama com energia 1,25 MeV. Podemos a�rmar que as radiações com maior LET, em ordem
decrescente, serão:
a) Prótons, Alfa e Gama.
b) Prótons, Gama e Alfa.
c) Alfa, Gama e prótons.
d) Alfa, prótons e Gama.
e) Gama, prótons e Alfa.
3. Quando a radiação é classi�cada de baixo LET, devem ser feitas algumas considerações na associação do LET com a
incidência do câncer.
Para valores de dose muito baixos, por não se ter dados experimentais inequívocos, supõe-se que a probabilidade de incidência
de câncer não seja proporcional à dose absorvida;
Na região de doses elevadas, com dados obtidos das vítimas de Hiroshima e Nagasaki, acidentes radiológicos e experiências
em laboratório, a probabilidade de incidência de câncer varia, na maioria dos casos, com o quadrado da dose;
Para doses muito elevadas, a probabilidade de indução de câncer decresce.
Podemos dizer que a associação incorreta é descrita na(s) alternativa(as):
a) I e II.
b) II e III.
c) Apenas I.
d) Apenas II.
e) Apenas III.
4. A reação de um indivíduo à exposição de radiação depende de diversos fatores, tais como:
a)Quantidade total de radiação recebida; quantidade total de radiação recebida anteriormente pelo organismo, sem recuperação; textura
orgânica individual; dano físico recebido simultaneamente com a dose de radiação (queimadura, por exemplo); intervalo de tempo
durante o qual a quantidade total de radiação foi recebida.
b) Textura orgânica individual; dano físico recebido simultaneamente com a dose de radiação (queimadura, por exemplo); intervalo de
tempo durante o qual a quantidade total de radiação foi recebida.
c) O nível de interações produzidas pela radiação eletromagnética no meio e a quantidade de energia recebida pelo tecido por unidade
de tempo de permanência da partícula no tecido biológico.
d) Textura orgânica individual; dano físico recebido simultaneamente com a dose de radiação (queimadura, por exemplo); intervalo de
tempo durante o qual a quantidade total de radiação foi recebida; e quantidade de energia recebida pelo tecido por unidade de tempo
de permanência da partícula no tecido biológico.
e) Quantidade total de radiação recebida; quantidade total de radiação recebida anteriormente pelo organismo, sem recuperação; textura
orgânica individual; intervalo de tempo durante o qual a quantidade total de radiação foi recebida.
5. Sobre a grandeza E�ciência Biológica Relativa, ou Relative Biological Effectiveness (RBE), pode-se a�rmar que:
a) Verifica a quantidade de energia transferida pelo tecido biológico durante a interação com a radiação ionizante.
b) Mede a influência da qualidade de um tipo de radiação na produção de efeitos radiobiológicos no tecido e nos sistemas biológicos
irradiados.
c) Verifica a taxa de transferência de energia por unidade de caminho percorrido pela radiação cedida ao sistema biológico irradiado.
d) É definida apenas para fótons.
e) É definida apenas para nêutrons.
Notas
Título modal 1
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Referências
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<//journals.sagepub.com/doi/10.1016/j.icrp.2009.07.001> . Acesso em 08 jan. 2020.
ICRU. Radiation Quantities and Units, Nat. Bur. Stand, U.S., Handbook 84, 1962.
LIMA, A.R. Estimativa de Dose nos Cristalinos de Operadores de Gamagra�a Industrial Usando o Método de Monte Carlo.
Dissertação. Instituto de Radiação e Dosimetria-IRD. 2014.
MORENA, C.S. Replicação celular e Metabolismo. Armazenamento de energia. "Força Vital". Tese de Doutorado. IPEN, 2016.
OKUNO, E.; IBERÊ, L.C.; CHOW, C. Física para ciências biológicas e biomédicas. São Paulo: Harper & Row do Brasil, 2010.
PILLING, S. Aula de astrobiologia: Replicação celular e Metabolismo. Armazenamento de energia. "Força Vital", Univap, 2010.
PODGORŠAK, E.B. Radiation Physics for Medical Physicists. Germany: Springer, 2005.
TAUHATA, L. et al. Radioproteção e Dosimetria: Fundamentos. Rio de Janeiro: IRD/CNEN, 2013.
https://journals.sagepub.com/doi/10.1016/j.icrp.2009.07.001
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