Radiació Ionitzant: Efectes Biològics, Cel·lulars i Tissulars

1. L'Oxigen com a Radiosensibilitzador Cel·lular

L'oxigen és el radiosensibilitzador més important, tot i que n'hi ha d'altres. Disminueix la supervivència cel·lular a la radiació, augmentant el seu efecte entre 2.5 i 3 vegades. A més, potencia la formació de radicals lliures i indueix reaccions en cadena que produeixen lesions. L'absència d'oxigen fa que els canvis químics produïts per la radiació siguin reversibles, mentre que la seva presència bloqueja els mecanismes de restauració cel·lular i tissular. S'utilitza per fer les cèl·lules més sensibles en determinats tumors.

2. Radiosensibilitat: Eritroblasts vs. Cèl·lules Musculars

Les cèl·lules musculars són menys radiosensibles perquè tenen una activitat de divisió cel·lular nul·la o molt baixa. En canvi, els eritroblasts, que es troben a la medul·la òssia (un teixit amb alta taxa de proliferació), són extremadament radiosensibles a causa de les seves nombroses divisions cel·lulars i el seu fenotip immadur.

3. Relació entre OER i LET en Radiobiologia

L'OER (Oxygen Enhancement Ratio) és una mesura que indica la quantitat d'oxigen necessària per augmentar la radiosensibilitat d'una cèl·lula. Els seus valors oscil·len entre 1 i 3, sent 1 quan no hi ha diferència en la sensibilitat amb o sense oxigen.

La LET (Linear Energy Transfer) és la quantitat d'energia transferida per unitat de longitud en un teixit irradiat. Pot ser:

• Alta LET: (Ex. partícules alfa) L'OER és més proper a 1, ja que el dany és directe i no depèn tant de l'oxigen.
• Baixa LET: (Ex. radiació gamma o X) L'OER pot arribar fins a 3, ja que el dany indirecte induït per radicals lliures és més afectat per la presència d'oxigen.

4. El Model Multietapa de la Carcinogènesi

El mecanisme de la carcinogènesi s'explica a través de diverses etapes:

• Iniciació: Un dany a l'ADN provoca una mutació irreparable en una cèl·lula normal, convertint-la en una cèl·lula iniciada. Aquesta mutació altera la normalitat genètica de la cèl·lula, sent el primer pas cap al càncer.
• Promoció: La cèl·lula iniciada comença a proliferar, formant un conjunt de cèl·lules alterades. Aquesta expansió és afavorida per factors externs com els promotors tumorals, però sense dany cromosòmic addicional.
• Progressió: Es produeixen danys cromosòmics addicionals que transformen la cèl·lula en una cèl·lula tumoral maligna. La proliferació es torna descontrolada, formant una massa tumoral agressiva.
• Metàstasi: Les cèl·lules malignes adquireixen la capacitat d'envair altres teixits i es disseminen a través del cos, formant nous tumors a òrgans distants, la qual cosa complica el tractament.

5. Organització de la Matèria: Nivells Biològics

1. Nivell subatòmic
2. Nivell atòmic
3. Nivell molecular
4. Nivell d'orgànuls cel·lulars
5. Nivell cel·lular
6. Nivell tissular
7. Nivell d'òrgan
8. Nivell d'aparells i sistemes
9. Nivell d'organisme

6. La Cèl·lula i les seves Funcions Essencials

Membrana Plasmàtica

1. Barrera selectiva que regula el pas de substàncies.
2. Mitjà de comunicació cel·lular i reconeixement cèl·lula-cèl·lula.
3. Formada per una bicapa lipídica (fosfolípids, proteïnes i colesterol).

Citoplasma

1. Conté els orgànuls cel·lulars suspesos en una substància gelatinosa anomenada citosol.
2. Proporciona estructura i consistència a la cèl·lula.
3. Inclou el citoesquelet, una xarxa de proteïnes que dona suport i mobilitat.

Nucli Cel·lular

1. Conté el material genètic (ADN i ARN).
2. Té una doble membrana nuclear i un nuclèol, que sintetitza ribosomes.

7. Orgànuls Cel·lulars i les seves Funcions

• Reticle endoplasmàtic rugós (RER): Síntesi de proteïnes amb ribosomes.
• Reticle endoplasmàtic llis (REL): Síntesi de lípids, sense ribosomes.
• Aparell de Golgi: Empaquetament i transport de substàncies en vesícules.
• Ribosomes: Síntesi de proteïnes seguint l'ARN.
• Lisosomes: Sacs amb enzims que degraden materials interns i externs.
• Vesícules: Transport i emmagatzematge de substàncies.
• Mitocondris: Producció d'energia (ATP).
• Peroxisomes: Oxidació d'àcids grassos amb enzims oxidatius.
• Centrosoma: Coordina el moviment dels orgànuls i components interns gràcies als microtúbuls i centríols.

8. Mitosi i Meiosi: Diferències Clau en la Divisió Cel·lular

Mitosi

Les dues cèl·lules filles són idèntiques a l'original. Mitjançant aquest procés, els organismes pluricel·lulars creixen, reparen lesions i substitueixen les cèl·lules danyades o envellides.

Meiosi

Aquest és un procés més complex, en el qual s'obtenen 4 cèl·lules filles amb la meitat de la dotació genètica. És el mecanisme que utilitzen els organismes amb reproducció sexual. Els dos gàmetes (l'òvul i l'espermatozoide) es fusionaran en una cèl·lula nova, el zigot, que tindrà la dotació genètica completa.

9. Què és la Radiació? Tipus i Característiques

La radiació és energia que es propaga a distància sense necessitat d'un conductor, en forma d'ones electromagnètiques o partícules subatòmiques, a través del buit o un medi material.

Radiació Natural Ambiental

1. Còsmica: Prové de l'espai i és parcialment filtrada per l'atmosfera; més intensa en zones altes o durant vols aeris.
2. Tel·lúrica: Prové de radioisòtops naturals en roques (més intensa en sòls granítics).
3. Metabòlica: Prové de radioisòtops al cos (ex. K-40 i C-14), químicament similars als seus homòlegs estables.

Radiació Artificial

Inclou la generada en medicina (raigs X, gamma), energia nuclear i usos industrials.

Radiació Ionitzant: Definició i Efectes

La radiació ionitzant és energia (electromagnètica o de partícules) capaç d'arrencar electrons d'àtoms, trencar enllaços químics i danyar cèl·lules. Té efectes aleatoris, no selectius i probabilístics.

10. Conceptes Clau en Radiobiologia

• Isòtop: Un àtom amb el mateix nombre de protons però diferent nombre de neutrons (i, per tant, diferent massa). Alguns són estables, mentre que els inestables es desintegren emetent radiació per estabilitzar-se, procés conegut com a desintegració radioactiva. L'activitat es mesura en Becquerels (Bq), que representen desintegracions per segon.
• Radiobiologia: Ciència que estudia els efectes de la radiació ionitzant en éssers vius.

Objectius Principals de la Radiobiologia

• Protecció Radiològica: Garantir l'ús segur de la radiació en medicina i indústria.
• Radioteràpia: Tractar tumors amb radiacions preservant al màxim els teixits sans.

Mecanisme d'Acció de la Radiació Ionitzant sobre l'ADN

• Acció Directa: La radiació ionitza directament una macromolècula com l'ADN, causant danys greus.
• Acció Indirecta: La radiació ionitza molècules com l'aigua (80% de la cèl·lula), formant radicals lliures tòxics (ex. peròxid d'hidrogen) que poden danyar l'ADN.

ADN i Cromosomes

• ADN: És la molècula que conté tota la informació genètica de la cèl·lula i és molt sensible a la radiació.
• Cromosomes: Estructures situades al nucli de la cèl·lula que transporten llargues cadenes d'ADN.

11. Efectes de les Radiacions Ionitzants en l'ADN i Cromosomes

1. Sobre l'ADN

   1. Ruptura simple de cadena: Lesió reparable (la més comuna).
   2. Ruptura doble de cadena: Lesió letal.
   3. Alteració o pèrdua de bases: Afecta sobretot la timina.
   4. Destrucció de glúcids: Poc freqüent.
   5. Ponts i dímers: Especialment dímers de timina, amb greus conseqüències.
   6. Dany múltiple localitzat: Letal.

2. Sobre els Cromosomes (durant mitosi/meiosi)

   1. Anomalies en el nombre: Menys freqüents.
   2. Anomalies en l'estructura: Més comunes.
      • Delecions: Pèrdua de fragments amb material genètic.
      • Dicèntrics: Cromosomes amb dos centròmers.
      • Anells: Delecions als extrems que causen plegament.
      • Translocacions: Intercanvi de gens entre cromosomes, amb fragments perduts o afegits.

12. Dinàmica del Dany Cel·lular per Radiació: Models

Model Blanc Únic-Impacte Únic

Aplica a cèl·lules bacterianes. La cèl·lula té un únic blanc crític: l'ADN. El paràmetre D37 determina la dosi necessària perquè el 37% de cèl·lules sobrevisqui (com més alt és D, més resistent és la cèl·lula). Efectes rellevants només a dosis altes.

Model Blanc Múltiple

Aplica a cèl·lules eucariotes. Cal destruir diversos blancs crítics per inactivar la cèl·lula. A dosis baixes, la supervivència és gairebé total perquè no tots els blancs reben danys. Inclou mecanismes no dirigits a l'ADN (inestabilitat genòmica, hormesi, respostes adaptatives). Efectes significatius a dosis baixes.

13. Efectes de les Radiacions sobre Altres Estructures Cel·lulars

Danys Possibles

• Trencaments dels carbohidrats cel·lulars.
• Alteracions de les funcions enzimàtiques.
• Canvis estructurals en les proteïnes de la membrana cel·lular.
• Peroxidació lipídica (dany als lípids cel·lulars).

L'afectació de la membrana pot alterar la funció dels orgànuls i els processos de permeabilitat i transport.

Els orgànuls del citoplasma solen ser nombrosos, permetent que la funció danyada pugui ser compensada per altres.

14. Factors que Modifiquen la Supervivència Cel·lular

1. Factors Físics

   • LET (Transferència Lineal d'Energia):
     • Radiacions d'alta LET (ex. partícules alfa): molta energia en poc espai, baixa penetració.
     • Radiacions de baixa LET (ex. raigs X o gamma): baixa energia per unitat de longitud, alta penetració.
   • EBR (Eficàcia Biològica Relativa): Compara radiacions segons la dosi necessària per causar el mateix efecte biològic que uns raigs X estàndard.

2. Taxa de Dosi

   • Baixa taxa de dosi: Permet reparació significativa dels danys a l'ADN.
   • Alta taxa de dosi: Redueix la capacitat de reparació cel·lular per falta de temps.

15. Classificació dels Efectes de les Radiacions Ionitzants

Segons el Moment d'Aparició

• Efectes Precoces: Apareixen minuts o hores després de l'exposició. Ex.: eritema cutani, nàusees, vòmits.
• Efectes Tardans: Es manifesten mesos o anys després. Ex.: mutacions genètiques, càncer radioinduït.

Segons el Punt de Vista Biològic

• Efectes Somàtics: Afecten l'individu exposat. Ex.: eritemes, osteonecrosi.
• Efectes Hereditaris: Afecten la descendència per danys a les cèl·lules germinals.

Segons la Dependència de la Dosi

• Efectes Estocàstics: No tenen un llindar de dosi; la probabilitat augmenta amb la dosi. Ex.: càncer (pot ser somàtic o hereditari).
• Efectes Deterministes: Tenen un llindar de dosi per aparèixer. Ex.: aplàsia medul·lar, cataractes, eritema. Els més afectats són el sistema immune i el sistema hematopoètic.

16. Resposta Tissular a la Radiació: Factors Clau

1. Varia en funció del tipus de cèl·lula, òrgan o teixit en qüestió.
2. Varia en funció de la diferenciació cel·lular (les indiferenciades són més radiosensibles).
3. Varia en funció de l'edat biològica de la cèl·lula que forma el teixit (vida cel·lular).
4. Varia en funció del lloc afectat per la radiació ionitzant. Ex: molt més greu si afecta el nucli de la cèl·lula i en modifica l'ADN. La capacitat de reparació de la cèl·lula pot veure's afectada.
5. Estat dels teixits veïns i vascularització de la zona (angiogènesi). Si estan afectats, és més difícil que es recuperin.

Una major radiosensibilitat no s'ha d'associar a una resposta ràpida d'aparició d'efectes, sinó amb la gravetat de l'efecte que es produeix sobre el teixit. Una reacció més precoç no implica major gravetat.

17. Com Afecta la Radiació als Diferents Teixits i Òrgans

La Medul·la Òssia

Conté cèl·lules mare que generen glòbuls vermells, blancs i plaquetes. Les cèl·lules més sensibles a la radiació són els eritroblasts. Excepte els limfòcits, les cèl·lules sanguínies perifèriques són més resistents per ser especialitzades. L'afectació per radiació pot causar greus problemes com anèmia, aplàsia medul·lar, infeccions greus i coagulopaties. La medul·la vermella produeix cèl·lules sanguínies, mentre que la groga està formada principalment per greix i conté cèl·lules mare que poden generar cartílag, greix o os.

La Pell

És la primera barrera contra les radiacions ionitzants. Els efectes secundaris més comuns són eritema, descamació i depilació. A dosis molt altes, es poden produir lesions greus com la radionecrosi. Les cèl·lules de la capa basal, per la seva alta taxa de divisió, són les més radiosensibles, mentre que les glàndules sebàcies i sudorípares són relativament resistents.

Els Testicles

Contenen cèl·lules diferenciades i resistents com els espermatozoides madurs, però també cèl·lules indiferenciades i sensibles com els espermatogonis. L'exposició a radiació pot provocar despoblació d'espermatozoides i, segons la dosi, esterilitat temporal o permanent, així com aberracions cromosòmiques que poden afectar la descendència.

Els Ovaris

Les cèl·lules germinals es divideixen cíclicament. Els fol·licles intermedis són molt radiosensibles, mentre que els madurs i primordials són resistents. Després d'irradiació, la fertilitat es veu afectada temporalment, amb efectes més grans en persones joves. A més, poden aparèixer aberracions cromosòmiques i mutacions genètiques transmissibles.

L'Embrió i el Fetus

La radiació pot afectar l'embrió i el fetus causant efectes letals com els avortaments, anomalies congènites visibles al naixement, i efectes tardans que es manifesten després del naixement. Aquests efectes poden ser causats per mutacions en l'òvul o l'espermatozoide o per exposició directa de l'embrió o fetus. El primer trimestre és el més radiosensible a causa de la indiferenciació cel·lular, l'alta activitat mitòtica i la gran quantitat de cèl·lules mare. Durant l'organogènesi, de la segona a la vuitena setmana, el risc teratogènic és molt alt. En els trimestres posteriors, el fetus és més resistent i necessita dosis majors per causar lesions. Les malformacions congènites més comunes són del sistema nerviós central, com la microcefàlia i el retard mental.

18. La Síndrome d'Irradiació Aguda: Causes i Conseqüències

La síndrome d'irradiació aguda es produeix quan es rep una dosi superior a 0.7 Gy en breus períodes de temps, afectant tot el cos o una part significativa. La gravetat dels efectes depèn de la dosi absorbida, amb una menor supervivència a dosis més altes. La mort es pot produir per lesions als sistemes hematopoètic (medul·la òssia), gastrointestinal i nerviós (SNC). Aquesta síndrome es classifica en hiperagut (més de 120 Gy), agut (entre 1 i 4 Gy) i crònic (exposicions a dosis petites durant molt de temps).