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Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Radiobiologia Prof. Marcos Viana Bomfim Depto Ciências da Vida UNEB – Campus I – Salvador E-mail: mvbomfim@uneb.br mvbomfim@yahoo.com.br Histórico das Radiolesões: Emil H. Grubbé (1896) – eritema; dor; edema; alopecia; ulceração Henry Becquerel - radiodermite Até 1922 – 100 radiologistas (óbito) Three Mile Island (USA) Chernobyl (Ucrânia) Operários que pintavam mostradores de relógio (Ra-226) Guerra Fria (Deserto de Nevada) – 250.000 soldados expostos Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Histórico das Radiolesões: • Goiânia/GO/Brasil – contaminação com o 137Cs • Hiroshima e Nagasaki (II Guerra Mundial) • Ilhas Marshall (Pacífico Sul/1954) – Precipitação radioativa • Profissionais que lidam com radiações ionizantes; • “Background” radioativo: • Araxá e Morro do Ferro (MG) – Jazida de Tório • Guarapari (ES) - Areia monazíticas • Keralas e Madras (Índia) Radiobiologia – Prof. Marcos Viana FATORES QUE CONTRIBUEM PARA AUMENTAR A RADIOSSENSIBILIDADE Carga das partículas ionizadoras; Velocidades das partículas ionizadoras; Pressão parcial de oxigênio em nível tissular; Quantidade de água por unidade de volume de tecido; Temperatura do tecido; Atividade mitótica do tecido; Ausência ou bloqueio do sistema de reparação; Presença de compostos químicos sensibilizadores (metronidazol, actinomicina D, bleomicina, adriamicina, 5-bromouracil, iodoacetamida, N-etilmaleidamida, etc...); Exposição em dose única. Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Velocidade X Transmissão linear de energia (LET) Lei do Inverso do Quadrado da Distância I = / 4 d2 Onde: I = Intensidade; = Fluxo; d = distância. Radiobiologia – Prof. Marcos Viana FATORES QUE PROTEGEM AS CÉLULAS CONTRA EFEITOS IONIZANTES • Substâncias dotadas de grupamentos sulfidrilas (cisteína, cisteamina, glutation); • Seqüestradores de radicais livres (“free radicals scavengers”); • Compostos que reduzem a quantidade de oxigênio livre no meio (redutona); Radiobiologia – Prof. Marcos Viana DOSE DE EXPOSIÇÃO • Está relacionada com a absorção de radiação pelo ar seco, podendo ser representada pela razão entre a quantidade total de cargas de mesmo sinal (dQ) e o fluxo de radiação numa determinada massa de ar seco (dm). X = dQ 1R = 1 statc/cm2 dm (1 statcoulomb= 2,998 x 109 C) Radiobiologia – Prof. Marcos Viana DOSE DE ABSORÇÃO Grandeza decorrente da exposição de um corpo a radiação, no qual tal corpo absorve uma certa quantidade de energia. Quanto maior for essa dose absorvida, maiores serão as chances para que apareçam os danos provocados por essa radiação. 1 rad = 100 ergs /g 1 Gy = 1J/Kg 1 Gy = 100 rad Radiobiologia – Prof. Marcos Viana EFEITO BIOLÓGICO RELATIVO Grandeza que exprime os diferentes efeitos biológicos ocasionados pelos diferentes tipos de radiações. Radiação RBE Raios X 1 Raios 1 Partículas 1 Nêutrons lentos (térmicos) 5 Prótons 10 Nêutrons rápidos 10 Dêuterons 10 Partículas 20 Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Eficácia Biológica relativa de algumas radiações Fonte: Carneiro Leão (1982); Heneine (1984) DOSE EQUIVALENTE Grandeza que relaciona o dano biológico com as doses de radiação. H = (D) (QF) (DF) D = dose absorvida QF = fator de qualidade da radiação DF = fator de distribuição da radiação Sv = (Gy) (QF) (DF) rem = (rad) (QF) (DF) RBE = (QF) (DF), portanto: rem = (rad) (RBE) 1 Sv = 100 rem Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Algumas Fontes de Radiação Ambiental Origem Material Tipo de Radiação Meia-vida (Magnitude – anos) Energia (Magnitude) Cosmos ? p, n, γ - GeV Crosta terrestre 226Ra 234Th 238U α, γ β-, γ α 1,6 x 103 8,0 x 105 4,5 x 109 4 MeV 0,1 MeV 4 MeV Explosões nucleares 40K 90Sr 137Cs β-, γ (EC (k) β-, γ β-, γ 109 30 1 MeV 1 MeV Aparelhos para diagnóstico, terapêutica e indústria Frenagem de elétrons Rx - 30 KeV a 5 MeV Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Fonte: Adaptado de Heneine, I. F. Biofísica Básica, 1996. Resumo das Principais Unidades Radiométricas Descrição Nome Símbolo Definição Energia EletronVolt eV Ec (Campo 1V) Atividade Curie Becquerel Ci Bq 3,7 x 1010 dps 1 dps Exposição Roentgen R 2,58 x 10-4 C/Kg Dose absorvida rad Gray rad Gy 100 erg/g 100 rad Dose equivalente rem Sievert rem Sv rad x QF 100 rem Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Fonte: DE BREITENSTEIN & SPICKARD Fases da Lesão Celular Radiobiologia – Prof. Marcos Viana • Fase física: Energia radiante transferida à matéria Ionização ou excitação de moléculas ou átomos Produtos muito reativos (10-13 segundos) • Fase química: Reação dos produtos da primeira fase com moléculas vizinhas ou entre si Tempo de 10-6 segundos • Fase biológica: Radiolesões oriundas dos produtos da segunda fase Ocorre em segundos até anos Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Nível Estrutura Efeitos Observados Molecular DNA Perda de NH2; oxidação da ribose; quebra da cadeia nucleotídica Organela Mitocôndria Perda da estrutura fina; Inativação dos processos metabólicos Célula Várias Iniciação e inibição da mitose; Alterações na estrutura; Morte celular. Tecidos Leucócitos Reprodução neoplásica; Destruição completa. Sistema Cardiovascular Perturbações circulatórias; Taquicardia, etc... Corpo Total Várias Alopecia; Anorexia; Distúrbios gastrintestinais; Emagrecimento rápido; Morte Exemplos de Efeitos Biológicos das Radiações em Vários Níveis Estruturais Fonte: Heneine, I. F. Biofísica Básica, 1996. Valor G Radiobiologia – Prof. Marcos Viana • Número de moléculas-produto formado para cada 100 eV de energia absorvida. Molécula Efeito Observado G DNA Ruptura de ponte de Hidrogênio 60 DNA Ruptura de cadeia simples 1,0 DNA Ruptura de cadeia dupla 1,5 CH3COOH Hidroxilação 3,0 H2O Radicais (vários – 34,5 eV/par iônico*) 0,5 – 2,6 Enzimas diversas Inativação 0,5 – 4,0 Catalase Inativação 0,009 Fonte: Adaptado de Heneine, I. F. Biofísica Básica, 1996. Valor G em Biomoléculas Radiólise da água Principais reações: e- + H2O OH - + H+ e- + H3O + H2O + H + H2O + + H2O H3O + + OH- H+ + H2O2 H2O + OH - H2O* H+ + OH- Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Os radicais livres podem formar compostos: • H+ + H+ H2 • OH- + OH- H2O2 • H+ + OH- H2O Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Na presença de oxigênio, a formação de peróxido de hidrogênio aumenta: • H+ + O2 HO2 - • H+ + HO2 - H2O2 Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Sistemas biológicos de defesa: Radicais livres • Catalase; • Peroxidases; • Superóxido dismutase; • Vitamina C; • Vitamina E; • Sistemas de reparação – DNA. Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Radicais peróxidos Radicais superóxidos Lei de Bergonié-Tribondeau (1959) • “A sensibilidade a radiação ionizante é diretamente proporcional a capacidade mitótica celular e inversamente proporcional ao grau de diferenciação celular. Exceção: Linfócitos!! Radiobiologia – Prof. Marcos VianaRadiossensibilidade em Células Animais Célula Radiosensibilidade Capacidade mitótica Nivel de diferenciação Tecido Hematopoiético (Linfócitos*, Eritroblastos, Mieloblastos); células das criptas intestinais, células basais da epiderme ++++ ++++ + Mielócitos e espermatócitos +++ ++++ ++ Células renais, fígado, pâncreas e tireóide ++ ++ +++ Neurônios e células musculares + - ++++ Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Fonte: Adaptado de HALL (1978); GOMES, R.A. , in Rocha, 1976, p. 87 Efeitos genéticos das radiações: • Danos em bases nitrogenadas do DNA; • Rupturas nas ligações das cadeias polinucleitídicas e ligações cruzadas inter e intramoleculares. Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Efeitos somáticos das radiações: • Imediatos: Quando ocorrem nos primeiros dois meses da irradiação. • Tardios: Quando se manifestam após dois meses da irradiação. Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Síndrome aguda da irradiação: • Animais ou indivíduos que recebem 10000 rads (100Gy) morrem em algumas horas ou no máximo em dois dias. Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Manifestações Clínicas em Indivíduos Irradiados Dose (Sv) Achados Clínicos e Laboratoriais 1 Indivíduo geralmente assintomático. Leucopenia e trombocitopenia discreta detectável em algumas pessoas, principalmente se valores controles forem obtidos antes da irradiação forem conhecidos. 1-2 Náuseas, vômitos e diarréia. Há alterações hematológicas na maioria dos irradiados. Os linfócitos sofrem diminuição de 50% dentro das 48 horas após a irradiação. 2-5 Grave lesão da medula óssea e dos linfáticos, que chegam a sofrer redução de 75%. Aproximadamente 50% dos irradiados morrem se não forem tratados. 5 Síndrome aguda da radiação com complicações gastrointestinais que aparecem no intervalo de 2 semanas após a irradiação. Os indivíduos podem apresentar sangramentos diversos e a maioria deles morre. 50 Curso fulminante. Há complicações gastrointestinais, cardiovasculares e do SNC incontroláveis e a morte advém entre 24 e 72 horas após a irradiação. Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Fonte: Adaptado de Voelz, G., in Wald & Stave, 1994, p. 179 Efeitos Estocásticos e Não Estocásticos Efeitos Estocásticos: Aqueles que se manifestam tardiamente. Ex: Tumores malignos, mutações. Efeitos não Estocásticos: Ocorrem em todos os indivíduos irradiados, portanto não se sujeitam às leis da probabilidade. Dose equivalent e absorvida (Sv) Tecido-alvo Efeito 1 a 1,5 medula óssea aplasia 3 a 4 gônadas esterilidade 5 a 8 cristalino catarata 10 a 12 pele radiodermite Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Fonte: Adaptado de Legaré,JM et al., in Rocha, 1976, p. 92 Dose Máxima Permissível (DMP) Dose Limite Categoria Período rem mSv Exposição ocupacional ano 5 50 Gônadas, medula óssea ou corpo inteiro ano 5 50 Cristalino ano 15 150 Pele, osso, tireóide ano 30 300 Extremidades ano 40 400 Outros órgãos ano 50 500 Pessoas do público ano 0,16 1 Dose acumulada vida Idade Idade x 10 Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Fonte: KNOCHE (1991); LEGARÉ (1976) Dose Letal de Radiação para alguns animais Animal LD 50 (30) (rad) Carneiro 155 Burro 155 Porco 195 Sagüi 200 Bode 230 Homem 225-270 Cão 265-350 Cobaia 255-400 Camundongo 900 Macaco 398-600 Galinha 600 Sapo 700 Hamster 900 Rato 900 Coelho 840 Pardal 800 Tartaruga 1500 Peixe dourado 2300 Gerbilo (roedores do gênero Gerbillus) 10590 Rato do deserto 15200 Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Fatores de Risco e Redução Média do Tempo de Vida Fator de Risco Redução Média do tempo de vida (dias) Fumo (20 cigarros/dia) 2370 (6,5 anos) Obesidade (20% acima do peso normal) 985 (2,7 anos) Todos os acidentes combinados 435 (1,2 anos) Acidentes de automóvel 200 Álcool 130 Acidentes domésticos 95 50 mSv/ano durante 30 anos 50 Trabalhos de baixo risco 30 10 mSv/ano durante 30 anos 30 “Background” radioativo 8 Raios X para uso médico 6 Catástrofes 3,5 Exposição ocupacional (10 mSv/ano) 1 Radiobiologia – Prof. Marcos Viana Fonte: NCR – National Research Council (1980)
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