Aula 5 - Radiações ionizantes - Efeitos Moleculares e Celulares

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Radiobiologia
· Radiações ionizantes - Efeitos Moleculares e Celulares:
· Rever e rediscutir:
· Conceito de radiação ionizantes
· Tipos de radiações ionizantes
· Discutir a interação da radiação com a matéria viva em nível molecular:
· Efeitos indireto e direto
· Lesões em biomoléculas
Definição:
Radiações ionizantes são aquelas capazes de causar ionizações nos átomos que constituem a matéria viva (hidrogênio, oxigênio, carbono, nitrogênio).
Tipos:
· Corpusculares:
· Partícula alfa
· Partícula beta
· Eletron de conversão interna
· Eletron auger
· Eletron Coster-Kronig
· Neutrons
· Feixes de íons pesados (pode ser utilizado para remoção de tumores superficiais – radioterapia)
· Eletromagnéticas (possuem alta energia, e alta frequencia):
· Radiação gama
· Radiação X
Interações de radiações ionizantes com a matéria viva:
As radiações ionizantes eletromagnéticas podem interagir com a matéria, principalmente, por efeito Kompton, fotoelétrico e por formação de pares.
Uma vez interagidos pode levar a efeitos desejados. Mas também há os efeitos indesejados, podem ser de dois tipos: determinísticos – ocorrem com certeza ou estocáticos/ probabilísticos – podem ou não ocorrer. Efeito estocástico – ocorre dependendo da dose. Efeito determinístico – ocorre 
Efeitos indiretos e diretos das radiações ionizantes:
· Efeitos indiretos:
Ocorre quando a radiação interage com moléculas do meio, mas não com a matéria orgânica propriamente. Isso gera a formação de radicais livres. Os radicais livres é que geram as alterações na água
Interação com a água:
Radical Livre  espécie química eletricamente neutra, que possui um elétron não pareado, que confere a ela uma característica altamente reativa.
As espécies reativas mais comuns são as de Oxigênio, mas existem também as de Nitrogênio. Os dois tipos de espécies juntas formam os radicais livres
Reação  aquisição ou compartilhamento de elétron com outro átomo (pode alterar a função da molécula biológica, levando até à morte)
Radical Livre  agente oxidante
Radiólise da água – quebra de moléculas por radiação (neste caso, ionizantes):
	Radiação + 2 H2O → H2O- + H2O+ → 2 OH● + 2 H● 
Existência 10-5s
	Formação de radicais livres intermediários, hidroxil e hidrogil.
	Não tem carência ou excesso de elétrons, tem elétrons não pareados
Na presença de O2  formação de radicais livres de maior tempo de existência (maior radiossensibilidade de tumores a radicais provenientes do oxigênio – radioterapia mais efetiva em tumores mais perfundidos (mais radiossensíveis)).
			X● + O2 → XO2●
· Efeitos diretos:
	Interação com macromoléculas biologicamente importantes. 
	A energia da radiação é transferida diretamente para ácidos nucleicos, 	lipídeos, biomoléculas etc.
Efeitos diretos e indiretos de radiações ionizantes:
Direto – transfere energia da radiação diretamente para um elétron orbital da biomolécula, gerando alterações nela. Por exemplo: radiação alterando o DNA.
Indireto – ocorre quando a radiação interage com o meio e há a formação de um radical livre que terá ação sobre a biomolécula
A produção de radicais livres é muito comum de ocorrer nas mitocôndrias. Elas possuem enzimas reparadoras para reverter danos gerados no DNA pelos radicais livres. A exposição à radiação ionizante pode sobrecarregar a capacidade de reparo das enzimas celulares.
Consequências em biomoléculas:
Esses efeitos gerados pela lesão do DNA pela radiação ionizante é o que se deseja na radioterapia, para ocorrer a morte da célula tumoral.
Alterações em macromoléculas importantes:
· Estrutura primária  lesões em nucleotídeos e aminoácidos
· Estrutura secundária e terciária  rupturas de pontes de H, ligações dissulfeto
· Radiólise (quebra de moléculas pela radiação)
· Formação de sítios reativos  ligações intramoleculares (reparo mais difícil)
· Lesões Induzidas em Ácidos Nucléicos:
Fatores que interferem na geração de radioprodutos (produtos da interação da radiação com a matéria viva):
· tipo de radiação (transferência linear de energia – TLE)
· quanto maior a TLE, maior a interação da radiação com a matéria = aumento na quantidade de danos causados
· condições de irradiação:
· pH
· temperatura
· [O2]
· presença de aceptores (próprio meio biológico possui) de radicais livres
· presença de radiossensibilizantes (pode ser aplicado de forma artificial – principalmente na radioterapia) se for captado pela célula tumoral, então se for utilizado em associação com o radiofármaco pode diminuir a dose do radioterápico, mantendo o efeito no tumor
· DNA de dupla ou simples fita
· composição de bases nitrogenadas
· associação do ácido nucléico com proteínas
· mecanismos de reparação de danos
· Radioprodutos em ácidos nucléicos
Geração de sítios apirimidínicos e apurínicos (álcali-lábeis) – perda de uma base nitrogenada purínica ou pirimidínica 
Alterações estruturais nas bases nitrogenadas ou desoxirribose
Quebras de pontes de H – separação da dupla fita
Ruptura de cadeias polinucleotídicas
· simples
· duplas
· Agregados moleculares:
· ligações intramoleculares
· ligações intermolaculares  DNA DNA, DNA proteínas
· Sítios apurínico e apirimidínico:
 Sítio apurínico – perdeu uma base nitrogenada do tipo purínica. Caso não seja reparado esse erro, isso pode levar à inserção de uma base nitrogenada de um nucleotídeo de forma aleatória, além de uma perda pontual do código genético, o que pode levar a uma mutação. 
Esse é o mecanismo que faz uma radiação ionizante poder levar ao câncer. Entretanto esse mesmo mecanismo, pode levar a célula cancerígena à morte
Sitio apirimidínico. Pode ter as mesmas consequências que ocorre no sítio apurínico.
· Alterações de bases nitrogenadas:
Reação da timina com uma espécie reativa de oxigênio, gera a glicol de timina. Se não for retirada durante a síntese de DNA, ocorrerá pareamento errado durante a replicação do DNA, podendo levar a uma mutação.
Outro exemplo, o estresse oxidativo levando a guanina a se converter em 8-oxo-guanina. Ocorre o mesmo processo de pareamento errado, podendo levar à mutação.
 
As celulas que e multiplicam mais são as celulas mais radiossensíveis
· Quebra simples e duplas de pontes de H:
Quebra simples, ocorre em apenas uma das fitas de DNA.
Já a quebra dupla, ocorre nas duas fitas, e tem consequencias mais drasticas. Pode levar a aberrações cromossomicas.
 
· Efeitos nos cromossomos:
 As aberrações incluem tanto a formação de anéis como a fragmentação dos cromossomos.
Aberrações cromossômicas após exposição de corpo inteiro 
Pode ser utilizada para realizar dosimetria biológica da radiação. Pois quanto maior a quantidade de aberrações cromossômicas, maior terá sido a dose de radiação que a pessoa recebeu.
Muito importante em acidentes nucleares e radiológicos
· Radioprodutos em proteínas:
Interação direta – radiação age diretamente nas proteínas
Interação indireta – radiação age indiretamente nas proteínas, por meio da formação de radicais livres que agirão nas proteínas.
Pode gerar alterações ou estruturais ou funcionais, o que leva à inativação das proteínas.
Alterações radioinduzidas em aminoácidos:
· desaminação
· adição de radicais OH
· perda de grupamento sulfidril
· Discutir a interação da radiação com a matéria viva em nível celular e tecidual:
· Estudos em células
· Fatores que modificam as respostas celulares às radiações
· Estudos em animais
Interação em nível celular e tecidual:
Estudos em células:
Modelo experimental - curva de sobrevivência celular
· Inicia com a cultura de células. Em presença de condições favoráveis há o crescimento dessas células. Com a inclusão de agentes físicos ou químicos na cultura celular pode ocorrer alterações de processos celulares (metabolismo celular, alterações das mitocôndrias, uso de oxigênio pela célula).
· A morte celular é o parâmetro utilizado para avaliar o quanto as doses crescente do agente físico (radiação, é um exemplo) /químico afetam a célula, pois é fácil de ser observado. Se houver morte celular é sinal de que houve danos celulares.A partir disso, é possível criar a curva de sobrevivência e um modelo experimental.
Curva de sobrevivência  gráfico semi log (só um dos eixos está na escala logarítmica – normalmente o eixo vertical (fator biológico); o eixo horizontal (dose da radiação) está em escala linear)
Fração de sobrevivência:
N: número de células viáveis após a dose D 
N0: número de células viáveis antes da dose D
No modelo de curva de sobrevivência
Morte celular  incapacidade de divisão celular e formação de colônia.
Representação geral da curva de sobrevivência
Quanto maior a dose de radiação a que a cultura de células maior é o número de células mortas (menos células sobrevivem)
Pouca dose de radiação gera um shoulder (um platô), pois não afeta tanto o numero de células da cultura.
Radiossensibilidade celular:
· Lei de BERGONIE e TRIBONDEAU:
	Maior radiossensibilidade para células que se dividem mais e são menos diferenciadas
+ radiossensível
- radiossensível 
(+ radioresistente) – altamente diferenciadas e especializadas
Linfócitos apesar de muito diferenciadas são muito radiossensíveis.
Células cancerígenas são mais radiossensíveis.
Células de um tumor cerebral se duplicam muito, e são pouco diferenciadas, diferente das células do neurônio. Isso permite que utilize radioterapia (raio X ou raio gama) contra o tumor. Já não pode fazer isso para leucemia (medula tem muita célula saudável indiferenciada)
Fatores que modificam a resposta celular às radiações
· Oxigênio
	influência direta  radicais livres (produção de radicais livres de maior tempo de existência = maior tempo interagindo com as biomoléculas)
taxa de aumento de oxigênio (TAO):
· para células de mamíferos: TAO < 3
ex: se a TAO for = 2 significa que na presença de oxigênio consegue inativar as células 2x mais do que na ausência dele
· na presença de O 2  menor sobrevivência celular
Influência do O2 na sobrevivência celular à radiação ionizante:
Efeito oxigênio: presença de oxigênio forma radicais livres de maior tempo no meio biológico. 
Tumores mais perfundidos – maior suprimento de sangue = mais radiossensíveis = menos dose é necessário para acabar com um tumor = menos danos para um tecido sadio.
· Transferência linear de energia (TLE)
TLE: medida da densidade de eventos de ionização no meio.
Radiações de alta TLE:
· Partículas alfa  “encurtam” a largura do shoulder (o início da curva, faz com que a curva de sobrevivência seja mais inclinada)
· Elétrons Auger  “range” (alcance) da ordem da largura da fita de DNA
· Elétrons de conversão interna
· Nêutrons
· Íons pesados  produzem maior número de lesões (hadronterapia)
Fracionamento da dose:
O fracionamento da dose é importante, pois permite que as células sadias ao redor do tumor se recuperem da radiação que receberam. Dose única é mais efetiva, mas em compensação causa mais danos e lesões no tecido sadio.
Fracionamento da dose:
· menor efeito letal 
· permite recuperação
· importante na radioterapia
Efeito da TLE da radiação na sobrevivência celular:
Alta TLE = radiação alfa, por exemplo
Baixa TLE = radiação gama, por exemplo
Numa mesma dose de radiação, os valores de sobrevivência celular são bem diversos para radiação com alta e com baixa TLE.
Efeito da taxa e do fracionamento da dose na sobrevivência celular às radiações:
Permite a recuperação das células ao redor da célula tumoral, ao fazer o fracionamento da dose 
Ciclo celular:
Fase G2 e mitose  maior radiossensibilidade da célula
Fase S  menor radiossensibilidade da célula
Radioprotetores e Radiossensibilizadores:
· agentes químicos podem alterar os efeitos indiretos das radiações:
· diminuir a sensibilidade às radiações
· aumentar a sensibilidade às radiações
Radioprotetores: responsáveis por reduzir a sensibilidade de um corpo/objeto às radiações. Tem aplicação:
· uso militar 
· programa espacial  exposição de radiação cósmica 
· radioterapia  proteção dos tecidos normais
Mecanismos de ação:
· Sequestro/ligação de radicais livres (diminuindo a presença deles no organismo)
· compostos com radical sulfidril (cisteína, cisteamina)
· Hipóxia local  epinefrina, CO
· Ligação em sítios sensíveis aos radicais livres
· Bloqueio do ciclo celular na fase G1
 permitem ação de enzimas de reparo (mecanismo de reparo)
· Eficiência  fator modificador de dose (FMD):
FMD, depende:
· tipo celular
· estágio do ciclo celular
· TLE da radiação
· em geral: < 2
Radiossensibilizadores: substâncias responsáveis por tornar corpos, células, mais sensíveis à radiação. Tem aplicação:
· importante uso em radioterapia
· tipos
· Aparentes  agentes tóxicos efetivos quando radiação é pouco efetiva
	Exemplos: 	metotrexato, 5-fluoracil, nitroimidazol
· Verdadeiros  inibem mecanismos de reparo
	Exemplos: 	análogos de pirimidinas (5-Br-OH-uridina, 5-I-OH-uridina)
			análogos de purinas (6-mercaptopurina)
· para efeitos diretos  compostos contendo 10 B em neutronterapia (pouco aceitos)
Estudos em animais:
Efeitos somáticos
· dose letal depende de:
· espécie animal 
· condições de irradiação
Conceito útil: DL 50/30  dose letal para 50% dos indivíduos em 30 dias.
Causa de morte
· depressão do sistema hematopoiético (é o sistema mais radiossensível):
· redução do número de leucócitos  infecções
· redução do número de plaquetas  hemorragias
· redução do número de hemácias  anemia
Porte do animal
· grande  menor relação tecido hematopoiético/g (massa corporal)  maior radiossensibilidade
· pequeno  maior relação tecido hematopoiético/g  menor radiossensibilidade
Outras respostas avaliadas:
· reações cutâneas – radiodermite (queimadura da pele pela radiação ionizante)
· frequência respiratória – síndrome respiratória, por danos causados pela radiação entre a ponte e o bulbo do individuo
· testes neurológicos (medula espinhal) – reflexos espinhais. Avalia o SNC
· esterilidade (gônadas)
Relação entre dose e redução do tempo de vida para ratos:
	Quanto maior a dose de radiação, menor o tempo de vida do animal 
Efeitos genéticos:
Mutações genéticas  em células germinativas
Em mamíferos:
	D = 1 Gy  2x taxa de mutação espontânea
Resultados sugeriram
· taxa de mutação em roedores > taxa de mutação em drosófilas
· em drosófilas  mutação  dose (mutação é proporcional à dose)
· sem limiar (mesmo doses pequenas são capazes de induzir mutações em drosófilas)
· independente da taxa de dose (efeito cumulativo)
· em roedores  mutação dependente da taxa de dose
· com limiar (a mutação só começa a surgir a partir de determinada dose de radiação que o animal é submetido)
· retardo na concepção pode diminuir efeitos genéticos (não se sabe o motivo, mas observou-se que fêmeas que foram exposta à radiação começaram a fase de radiação mais tardiamente, talvez seja uma tentativa do organismo de diminuir os efeitos genéticos)
Efeitos genéticos da radiação ionizante em camundongos:
· mutações dominantes letais
· translocações recíprocas de genes, perda e ganho de cromossomo sexual
· mutações recessivas letais
· mutações recessivas que determinam alterações morfológicas e bioquímicas
· mutações dominantes que afetam histocompatibilidade
· mutações dominantes que causam:
· anormalidades esqueléticas e catarata
· mortalidade pré desmame (morte do animal pré-matura, antes do animal ser separado da mãe)
· anormalidades congênitas
· tumores hereditários