thumb|upright=2.0|right|Espectro electromagnético en diagrama que ilustraDiagrama, adaptado de uno de la NASA, del espectro electromagnético, mostrando el tipo, longitud de onda (con ejemplos) frecuencia y la temperatura de emisión de cuerpo negro. que la radiación ionizante aparece en frecuencias superiores a Hz.La radiobiología es la ciencia que estudia los efectos que se producen en los seres vivos tras la exposición a energía procedente de las radiaciones ionizantes. Dos grandes razones que han impulsado la investigación de los efectos biológicos de las radiaciones ionizantes sobre la materia viva son la protección radiológica, para poder utilizarlas de forma segura en aplicaciones médicas o industriales que las requieran, y la radioterapia donde las radiaciones ionizantes se utilizan principalmente para el tratamiento de neoplasias buscando preservar al máximo los órganos críticos (tejido sano).
Características de los efectos biológicos de las radiaciones ionizantes Aleatoriedad: La interacción de la radiación con las células es una función de probabilidad y tiene lugar al azar. Un fotón o partícula puede alcanzar a una célula o a otra, dañarla o no y, de dañarla, puede afectarla en el núcleo o en el citoplasma. Rápido depósito de energía: El depósito de energía a la célula ocurre en un tiempo muy corto, en fracciones de millonésimas de segundo. No selectividad: La radiación no muestra predilección por ninguna parte o biomolécula, es decir, la interacción no es selectiva. Inespecificidad lesiva: Las lesiones de las radiaciones ionizantes son siempre inespecíficas o lo que es lo mismo esas lesiones pueden ser producidas por otras causas físicas. Latencia: Las alteraciones biológicas en una célula que resultan por la radiación no son inmediatas, tardan tiempo en hacerse visibles a esto se le llama "tiempo de latencia" y puede ser desde unos pocos minutos o muchos años, dependiendo de la dosis y tiempo de exposición.
Tipos de efectos de la radiación sobre los seres vivos Los efectos de las radiaciones ionizantes sobre los seres vivos se pueden clasificar desde distintos puntos de vista:
Según el tiempo de aparición Precoces: Aparecen en minutos u horas después de haberse expuesto a la radiación, por ejemplo eritema cutáneo, náuseas. Tardíos: Aparecen meses u años después de la exposición, por ejemplo cáncer radioinducido, radiodermitis crónica, mutaciones genéticas.
Desde el punto de vista biológico Efectos somáticos: Sólo se manifiestan en el individuo que ha sido sometido a la exposición de radiaciones ionizantes por ejemplo el eritema. Efecto hereditario: No se manifiestan en el individuo que ha sido expuesto a la radiación, sino en su descendencia, ya que lesionan las células germinales del individuo expuesto, por ejemplo las mutaciones que afectan a células germinales (espermatozoides y óvulos). Vale aclarar que tales efectos solo se han verificado en insectos y ratones y no en seres humanos, por ahora.
Dependientes de la dosis Efecto estocástico: Son efectos absolutamente aleatorios, probabilísticos; pudiendo aparecer tras la exposición a pequeñas dosis de radiación ionizante. No necesitan una dosis umbral determinada para producirse; si bien al aumentar la dosis aumenta la probabilidad de aparición de estos efectos, que suelen ser de tipo tardío.Los efectos estocásticos son el cáncer radioinducido, las mutaciones genéticas y los "efectos estocásticos no cancerígenos",Galle, P. y Paulin, R. (2003). Biofísica, radiobiología, radiopatología. Masson. ISBN 84-458-1136-3. Manual General de efectos estocásticos no cancerígenos. descubiertos recientemente, por ejemplo, daños pulmonares no cancerígenos de aparición tardía.Gregori, B (coord. Sociedad Argentina de Radioprotección, 2015). ICRP: Publicación 113. Capacitación y entrenamiento en protección radiológica para procedimientos diagnósticos e intervencionistas. ISBN 978-987-26798-3-5. (Recomendaciones respecto de la formación efectos estocásticos no cancerígenos) Efecto no estocástico: Se necesita una dosis umbral para producirlos, por debajo de la cual, la probabilidad de aparición de los mismos es muy baja. Suelen ser efectos precoces, por ejemplo el eritema cutáneo.
Etapas de la acción biológica de la radiación Los efectos, de distinto orden,Alba M. Güerci, Claudia A. Grillo. Evaluación del efecto genotóxico por exposición crónica a dosis bajas de radiación ionizante a través de un modelo in vitro. Radiobiología 7 (2007) 166 – 173. ISSN 1579-3087. de las radiaciones ionizantes sobre la materia viva son el resultado final de las interacciones físicas (ionización y excitación) de los fotones o partículas con los átomos que la componen.
Los efectos de la radiación sobre los seres vivos pasan por sucesivas etapas que se ordenan aquí según su escala de tiempo, de menor a mayor.
Etapa Física Es una respuesta inmediata que ocurre entre billonésimas y millonésimas de segundo. En esta etapa se produce la interacción de los electrones corticales con los fotones o partículas que constituyen el haz de radiación. Los electrones secundarios originados en la interacción, excitan e ionizan a otros átomos provocando una cascada de ionizaciones. Se estima que un Gray de dosis absorbida produce 100.000 ionizaciones en un volumen de 10 micras cúbicas. La acción directa de la radiación es consecuencia de ionizaciones que se producen en los átomos que forman la molécula del ADN, fenómeno dominante en radiaciones con alta transferencia lineal de energía (LET) como las partículas alfa, beta y protones, que inciden directamente sobre los átomos de las moléculas. La acción indirecta de la radiación es la interacción del haz de radiación con otros átomos y moléculas de la célula como el agua, produciéndose radicales libres que al difundir hasta la molécula de ADN, la dañan de manera indirecta.
Etapa Química Esta etapa es de un orden ligeramente mayor estando en una escala de entre una millonésima de segundo y un segundo. Es el proceso de la interacción de los radicales libres resultantes de la radiólisis del agua, que originan una serie de reacciones químicas con moléculas de solutos presentes en el medio irradiado y que producirán la inducción de un cierto grado de lesión biológica. Cuando las radiaciones interaccionan con la materia viva se producen fenómenos fisicoquímicos, pues la ionización y excitación suponen un incremento de energía para las moléculas, lo que compromete su estabilidad; dependiendo de la importancia de la molécula afectada, la lesión biológica será más o menos importante.
Radiólisis del agua
Los efectos biológicos derivan, en gran parte, de la acción de las radiaciones sobre el agua debida, por un lado, a la elevada presencia de las moléculas de agua en los seres vivos y por otro, al hecho de ejercer como disolvente de otras moléculas cuando tienen lugar importantes reacciones químicas. Aunque la acción de las radiaciones sobre el agua o radiólisis del agua es una suma de procesos complejos, se puede simplificar resumiéndose en dos casos:
La descomposición molecular del agua y la formación de radicales libres.
En primer lugar, la radiación incidente sobre las moléculas de agua puede ionizarlas de tal manera que deja un ion H2O+ y un electrón libres. A este electrón se le llama electrón acuoso pues es muy lento ya que casi toda la energía se ha invertido en arrancarlo de la molécula. El ion H2O+ es muy inestable y rápidamente se descompone en un H+ y en un radical OH·. El electrón acuoso puede reaccionar con otras moléculas orgánicas o con una segunda molécula de agua produciendo radicales H· e iones hidroxilo OH-. Los radicales H· y OH· son moléculas neutras con gran reactividad química pues tienen un electrón desparejado que con muy poco esfuerzo tenderá a crear enlaces y robar así átomos a otras moléculas que en el peor de los casos podrían ser biomoléculas funcionales tales como proteínas o nucleótidos.
Los iones hidroxilo y los protones libres al ser partículas con cargas opuestas no son peligrosos pues tenderán a atraerse neutralizándose y formando de nuevo agua. Pero las moléculas radicales neutras sí son peligrosas pues quedarán a la deriva por la célula hasta afectar alguna molécula de importancia biológica.Stewart Bushong, Manual de Radiología para Técnicos: Física, Biología y Protección Radiológica, Editorial Harcourt, 2010
Existe también la posibilidad más directa de formar los radicales libres con la sola excitación inducida a partir de la radiación de una molécula de agua. Los fenómenos que se producen al excitarse la molécula de agua, no son bien conocidos, pero teóricamente es posible la disociación de esta en radicales H· y OH·. De una manera u otra se forman radicales que no poseen electrones apareados, lo que los hace altamente reactivos, bien como agentes oxidantes o reductores.
Los radicales se distribuyen de forma heterogénea a lo largo de la trayectoria de radiación, dependiendo de la transferencia lineal de energía de radiación. Una buena parte de ellos se pierden en reacciones neutralizadoras combinándose de la siguiente forma.
Pero otros se propagan pudiendo llegar en última instancia a atacar las cadenas de ADN si estos han sido generados en el núcleo celular.
Efecto oxígeno
El oxígeno es un potente radiosensibilizante, es decir, aumenta el efecto de la irradiación. Cuando la TLE (LET en inglés) es baja, es necesario en ausencia de oxígeno (anoxia) multiplicar la dosis por un factor de 2,5 a 3 para obtener el mismo efecto que en presencia de oxígeno. Se llama OER (del inglés Oxigen Enhancement Ratio) o razón de aumento de oxígeno, al número de dosis necesaria para obtener el mismo efecto según condiciones de anoxia o de oxigenación normal. El oxígeno, al combinarse con los radicales libres, produce un aumento de la vida media de éstos y la fijación del daño radioinducido.
Moléculas donadores de H Las moléculas donadores de H, como las que contienen grupo sulfhidrilo (-SH), pueden neutralizar los radicales libres, teniendo un papel protector, ya que se ha demostrado que el aumento o disminución en los niveles intracelulares de grupos -SH, origina cambios paralelos en la supervivencia celular. Actualmente se está probando el uso de ácido hialurónico con buenos resultados.José Miguel Soriano del Castillo y Alegría Montoro Pastor (coord.., 2013). Últimos avances en radioprotectores de origen natural. Colección Documentos I+D, Consejo de Seguridad Nuclear, Madrid, España, s/ISBN.
Etapa biológica
La etapa biológica se inicia con la activación de reacciones enzimáticas para reparar el daño producido por las radiaciones. Algunas de estas lesiones serán reparadas y no influyen en la viabilidad celular y otras no serán reparadas con lo que se producirá la muerte celular en interfase, mitosis o incluso después de varias divisiones celulares tras la exposición a la radiación. Las consecuencias biológicas de la irradiación celular se manifiestan mucho tiempo después como: La respuesta de los tumores a la radioterapia. Los efectos secundarios agudos y tardíos asociados a la radioterapia. Desarrollo de neoplasias radioinducidas a largo plazo por mutaciones en células somáticas. Desarrollo, detectado solo en animales, de malformaciones genéticas en la descendencia por mutaciones en células germinales.
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Lesiones radioinducidas y radiosensibilidad
Las interacciones de las radiaciones ionizantes pueden traducirse en alteraciones en la bioquímica celular, cadenas de hidratos de carbono, cambios estructurales en las proteínas, modificaciones en la actividad enzimática, que a su vez repercuten en alteraciones de la membrana celular, las mitocondrias y los demás orgánulos de la célula. Pero en donde más estudios se han realizado, es en las acciones de la radiación sobre los elementos del núcleo celular, sobre el ADN.
Tipo de lesiones radioinducidas