Radiobiología: efectos de la radiación ionizante en tejidos vivos y ciclo celular

T4: Radiobiología

T4: RADIOBIOLOGÍA: ciencia que estudia los fenómenos que suceden cuando un tejido vivo absorbe la energía cedida por las radiaciones ionizantes.

Ciclo celular

Interfase: la célula crece y copia su ADN (fases G1, S y G2). Fase mitótica: separa su ADN en dos y su citoplasma para formar dos hijas idénticas (mitosis y citocinesis). Después pueden dividirse rápidamente (otro ciclo) o lentamente/no dividirse (G0).

Efectos

Ámbito celular

Directo: ionización de átomos clave para el sistema biológico, inactivación o alteración de la función de la molécula; es más común para radiaciones de alta LET.

Indirecto: producción de radicales libres reactivos que dañan moléculas (efecto biológico celular).

Ácidos nucleicos: blanco primario del daño celular por radiación ionizante (roturas de cadena de ADN).

Ámbito tisular y orgánico

La radiosensibilidad depende del número de células diferenciadas, del número de células mitóticamente activas y del tiempo que permanecen activas.

Sistema hematopoyético

Muy sensible: las células madre de la médula ósea son las más afectadas. Los glóbulos rojos maduros y las plaquetas circundantes son resistentes porque carecen de núcleo. Consecuencias: pancitopenia, hemorragia, infección, anemia.

Sistema reproductor

Muy sensible.

• Hombre: no afecta a la capacidad sexual; produce esterilidad, daño genético; con dosis bajas la esterilidad es temporal.
• Mujer: destruye óvulos y folículos maduros; puede provocar menopausia artificial.

Sistema gastrointestinal

Muy sensible: daño intestinal (diarrea), daño del tracto gastrointestinal (vómitos, secreción ácida), destrucción del recubrimiento epitelial de faringe y esófago (sequedad y dolor).

Piel

Relativamente sensible (depende de la dosis, tipo y tasa): eritema, depilación temporal, dermatitis.

Sistema nervioso central

Resistente: necesita dosis altas para dañarse; el sistema vascular lo protege.

Cristalino

Muy sensible: cataratas.

Otros

Resistencia relativa en vísceras y mayor sensibilidad en tejido conectivo y vascular.

Feto

Muy sensible (alta proliferación): en el primer trimestre, aborto espontáneo; más tarde, malformaciones congénitas.

Irradiación de cuerpo completo

Síndrome de irradiación aguda, con cuatro fases:

1. Fase inicial (shock)
2. Período de latencia (células resistentes mantienen sus funciones)
3. Enfermedad manifiesta (síntomas)
4. Desenlace (recuperación o muerte)

Respuesta celular

Muerte en interfase: muerte celular antes de la mitosis; varía según la célula.

Retraso mitótico: el índice mitótico y la sobrecarga aumentan cuando aumenta el índice.

Fallo reproductivo: incapacidad para experimentar divisiones repetidas después de la irradiación; las células no pueden reproducirse y son no supervivientes/mueren; es una lesión no letal.

Curvas

Ensayo de clonogenicidad: método experimental in vitro que mide la sensibilidad celular ante un agente citotóxico. Células supervivientes (forman colonias) y fracción de supervivencia (proporción de células supervivientes).

Respuesta del tejido normal

Temprana: pocas semanas después de ser irradiado; daño en células funcionales de vida corta; el daño tiende a sanar. Piel, mucosa, intestino, médula y testículo.

Tardía: meses o años después de la irradiación; pérdida de tejido conectivo (vasos sanguíneos); lesiones permanentes; limita la dosis de radiación. Pulmón, riñón, médula.

Respuesta del tejido tumoral

Para que sea efectiva debe ser más sensible a la radiación que los tejidos sanos.

Neoplasia: formada por células no tumorales, vasos sanguíneos y matriz extracelular. Pérdida de capacidad reproductiva (senescencia o diferenciación), muerte parcial o total (por necrosis o apoptosis), capacidad de replicación (células clonogénicas).

Fraccionamiento: las 5 R

Fenómenos que modifican la eficacia de las dosis sucesivas: Reparación, Redistribución, Reclutamiento, Repoblación (en el tejido tumoral es perjudicial) y Regeneración: 1/3 de la radiación destruye células tumorales; regeneración de la fracción precedente.

Para optimizar se actúa sobre: dosis total, intervalo y dosis por fracción.

• Convencional o estándar: 180-200 cGy al día, una fracción, 5 días a la semana.
• Hiperfraccionamiento: 2 fracciones al día, mínimo 6 h de separación, 115-120 cGy, 5 días a la semana.
• Fraccionamiento acelerado: dosis convencional de 150-200 cGy, 2 veces al día, 5 días a la semana.
• Hipofraccionamiento: 300-500 cGy, incluso 2000, 2 veces al día durante 10 días; melanoma; cuando se precisan grandes dosis de fotones.

Modelo alfa/beta

Tras el experimento (cada vez menos células supervivientes, el resultado final no es igual al inicial, la curva siempre es la misma) se concluye que las células tienen una recuperación total.

Ventaja: simplicidad matemática; predice efectos agudos y tardíos en tejidos con el cociente (pequeño para agudos, grande para tardíos).

Gráfica de isoefecto

Determina la dosis total que hay que administrar para conseguir el mismo efecto biológico en distintos tejidos sanos en función de la dosis por fracción.

• Lento: grandes dosis, muchas lesiones letales porque los tejidos no se regeneran (líneas continuas).
• Rápido: el efecto depende de la dosis por fracción porque se solventan con un factor limitante (tiempo), repoblación celular, líneas discontinuas.

Factores que sensibilizan a las células

Efecto del O₂: potencia la acción de las radiaciones en todo tipo de células; si se administra O₂ el efecto es máximo.

Radiosensibilizadores químicos: sustancias químicas que actúan potenciando el efecto de la radiación sobre el tejido.

Hipertermia: en tejidos experimentales aumenta la respuesta a la radiación cuando se aplica calor; cuando se combina con radioterapia se denomina termorradioterapia.

• Local (área pequeña, cocina sin dañar)
• Regional (parte más grande, debilitar)
• Cuerpo entero (todo el cuerpo a 39-41 ºC, cáncer metastásico)

Quimioterapia: neoadyuvante (también para facilitar el tratamiento) y adyuvante (después de extirpar pueden quedar células).

T5. Sistema de planificación

RD 1566/1998.

Directa: se definen los parámetros del haz y los objetivos fijados; cambio manual.

Inversa: se definen algunos parámetros y los objetivos clínicos; el sistema de planificación propone la solución.

Herramientas

• Herramientas de visualización: permiten ver en 2D los cortes de TC y en 3D las estructuras creadas.
• Herramientas de delimitación de volúmenes: permiten dibujar y delimitar estructuras (órganos y volúmenes a tratar); no se utilizan en el proceso de simulación.
• Herramientas de edición y configuración de haces: permiten crear y editar campos de tratamiento: crear, editar, copiar, eliminar…
• Herramientas de cálculo: escoger algoritmo de cálculo adecuado a la situación en función de lo que se debe tener en cuenta; definir la dosis total que se quiere impartir y el fraccionamiento.
• Herramientas de análisis:
  • Curva isodosis (conjunto de puntos que reciben la misma dosis; analiza un volumen cubierto y órganos).
  • Normalización de dosis (100 % dosis prescrita).
  • Histograma dosis-volumen (HDV o DVH: indica qué volumen de un órgano concreto recibe una dosis determinada. Diferencial: distribución; acumulativo: volumen).
• Herramientas de registro e impresión de datos: elaboración de informes dosimétricos, transferencia de datos a red (electrónica evita errores), registro de información y problemas.

Disposición de haces

1) Corte de referencia/cero; 2) punto central (técnica isocéntrica para el paciente o isométrica por distancia).

Tipo de radiación: fotones o electrones, en función de la profundidad del tumor y de la existencia de órganos de riesgo detrás.

Energía de la radiación:

• Fotones de baja energía: zonas finas o poco profundas (mama, cabeza, cuello, extremidades).
• Fotones de alta energía: tumores pélvicos y torácicos.
• Electrones: tumores superficiales de piel.

Ángulo de brazo, colimador y mesa: ángulo de entrada para cubrir el PTV y los OR; verificar que la combinación de giros no produzca colisión.

Tamaño de campo: determina la mordaza del colimador; utiliza láminas y bloques de protección; margen de 0,5-1 cm y añadir aplicadores para evitar dispersión.

Modificadores del haz: elementos que se introducen entre el haz y el paciente para modificar la distribución de dosis.

• Cuñas: compensan la superficie de entrada con mucha pendiente o campos muy juntos (físicas, motorizadas y dinámicas).
• Bolus: material equivalente al tejido sobre la superficie para aumentar la dosis en la superficie y compensar la falta de tejido.

Disposición de haces o campos de tratamiento: un solo campo de radiación produce gran heterogeneidad en la distribución de dosis.

Cálculo

Algoritmos: 1) utilizan directamente medidas; 2) modelan el cabezal; 3) simulan el número de partículas individuales.

Planificación dosimétrica

Holocráneo: mayor frecuencia; 2 campos laterales a 90 y 270 con colimador angular; margen suficiente en superior y posterior.

Masas locales en cerebro: localización exacta según: volumen a tratar en hemisferio (evitar contralateral), evitar globos oculares, usar haces coronales (giro de mesa y ángulo de brazo a 90º).

Cabeza y cuello:

• 5 campos de fotones de baja energía: 2 laterales opuestos a 90 y 270; 2 oblicuos posteriores simétricos que evitan la médula a 210-220 y 140-150; 1 posteroanterior que protege la médula con multilámina.
• 6 campos de fotones de baja energía: 2 oblicuos anteriores que cubren el PTV; 2 oblicuos anteriores que evitan la médula; 2 oblicuos posteriores opuestos a los anteriores que evitan la médula.

Mama: la más utilizada; OR: corazón, pulmón y mama contralateral.

• Mama + sobreimpresión (campos tangenciales)
• Mama + fosa supraclavicular (tangenciales + hemicampo)
• Mama + fosa supraclavicular (tangenciales con giro de mesa + hemicampo supraclavicular)

Pulmón: menos estandarizado y más complicado.

• Campos opuestos (tratamiento paliativo que afecta al movimiento respiratorio)
• Campos invertidos (combinación de 3 campos oblicuos con cuña)

Recto: OR: cabezas femorales y vejiga; técnica estándar de 3 campos isocéntricos centrados en el PTV (1 posterior a 0º, 2 laterales a 90 y 270) con cuñas transversales.

Próstata: OR: recto, vejiga y cabezas femorales.

• Pelvis menor (PTV1 si se irradian ganglios; 4 campos isocéntricos ponderados)
• Próstata + vesículas seminales + margen (PTV11; 6 campos oblicuos: 2 anteriores, 2 posteriores, 2 laterales; protege el recto)
• Próstata o lecho + margen (PTV111; igual que el anterior)

Ginecología: volúmenes blanco diversos; según necesite o no irradiar cadenas linfáticas; cérvix con 4 campos en caja; OR: vejiga, recto, cabezas femorales y sacro.

Dosimetría in vivo

Medición durante el tratamiento de la dosis de radiación recibida por el paciente en tiempo real. Detectores:

• Diodos: su respuesta depende de la temperatura, energía de radiación y tasa de dosis; código de color, cables, lectura inmediata, reutilizables.
• TLD: sin cables, reutilizables (van perdiendo sensibilidad), medida en un punto (cuando termina la irradiación); antes se añade capuchón en función de la energía.
• MOSFET: lectura inmediata durante la irradiación; depende de la energía de irradiación (pierden con el uso pero menos que los TLD); capuchón.
• Sistema de imagen portal: únicamente para medir dosis a la salida; da la dosis en un plano; integrados en la unidad (no requiere montaje); lectura inmediata (software concreto); se espera al final de la irradiación.

T6. Braquiterapia

Determinación de la dosis en agua: complicada por el alto gradiente de dosis y los detectores (gran variedad). Método Monte Carlo: obtiene números aleatorios con distribuciones de probabilidad radiación-material determinadas.

Localización: la braquiterapia HDR carga diferentes fuentes de Ir-192 y permite optimizar la dosis.

Sistema Paris: líneas de radiación rectilíneas, equidistantes y paralelas; el kerma es para todas y uniforme; en volúmenes grandes se hace el implante respetando la equidistancia.

Conceptos de dosis

• Dosis base: media aritmética de las dosis de varios puntos de dosis mínima del interior del implante.
• Dosis de referencia: isodosis del 85 % de la dosis base; cubre el volumen blanco.
• Zona de sobredosificación: volumen que recibe más del doble de la dosis de referencia (170 %).
• Volumen blanco: volumen irradiado con la dosis prescrita.
• Volumen irradiado: tejido que recibe al menos el 50 % de la dosis de referencia.

Dibujo: de fuera a dentro: volumen irradiado, dosis de referencia, volumen blanco. De izquierda a derecha: zona de sobredosificación, puntos de dosis base, líneas de radiación.

Planificación

• Preimplante: ginecológica e intersticial; precálculo o predosimetría; más precisa; sistema de coordenadas o imagen.
• Intraoperatoria: en el momento de la colocación se planifica y ejecuta también el tratamiento (radiocirugía), optimización de la dosis en tiempo real; braquiterapia de próstata con semillas.
• Postimplante: más utilizada; HDR; implantar, TC, delimitar, recontornear y determinar.