La radiobiología (también conocida como biología de la radiación , y poco común como actinobiología ) es un campo de las ciencias médicas clínicas y básicas que implica el estudio de los efectos de las radiaciones ionizantes en los seres vivos, en particular los efectos de la radiación en la salud . La radiación ionizante es generalmente dañina y potencialmente letal para los seres vivos, pero puede tener beneficios para la salud en la radioterapia para el tratamiento del cáncer y la tirotoxicosis . Su impacto más común es la inducción de cáncer con un período de latencia de años o décadas después de la exposición. Las dosis altas pueden causar quemaduras por radiación visualmente dramáticas y/o una muerte rápida a través del síndrome de radiación aguda . Se utilizan dosis controladas para imágenes médicas y radioterapia .
En general, las radiaciones ionizantes son dañinas y potencialmente letales para los seres vivos pero pueden tener beneficios para la salud en la radioterapia para el tratamiento del cáncer y la tirotoxicosis .
La mayoría de los efectos adversos para la salud de la exposición a la radiación se pueden agrupar en dos categorías generales:
Algunos efectos de las radiaciones ionizantes en la salud humana son estocásticos , lo que significa que su probabilidad de ocurrencia aumenta con la dosis, mientras que la gravedad es independiente de la dosis. [2] El cáncer , la teratogénesis , el deterioro cognitivo y las enfermedades cardíacas inducidos por la radiación son efectos estocásticos inducidos por la radiación ionizante.
Su impacto más común es la inducción estocástica de cáncer con un período de latencia de años o décadas después de la exposición. El mecanismo por el cual esto ocurre se comprende bien, pero los modelos cuantitativos que predicen el nivel de riesgo siguen siendo controvertidos. El modelo más ampliamente aceptado postula que la incidencia de cánceres debido a la radiación ionizante aumenta linealmente con la dosis de radiación efectiva a una tasa del 5,5% por sievert . [3] Si este modelo lineal es correcto, entonces la radiación natural de fondo es la fuente de radiación más peligrosa para la salud pública en general, seguida de cerca por las imágenes médicas.
Los datos cuantitativos sobre los efectos de las radiaciones ionizantes en la salud humana son relativamente limitados en comparación con otras afecciones médicas debido al bajo número de casos hasta la fecha y a la naturaleza estocástica de algunos de los efectos. Los efectos estocásticos sólo pueden medirse mediante grandes estudios epidemiológicos en los que se hayan recopilado datos suficientes para eliminar factores de confusión como el hábito de fumar y otros factores del estilo de vida. La fuente más rica de datos de alta calidad proviene del estudio de los supervivientes de la bomba atómica japonesa . Los experimentos in vitro y con animales son informativos, pero la radiorresistencia varía mucho entre especies.
Se estima que el riesgo añadido de por vida de desarrollar cáncer mediante una única TC abdominal de 8 mSv es del 0,05%, o 1 en 2.000. [4]
Los efectos deterministas son aquellos que ocurren de manera confiable por encima de una dosis umbral y su gravedad aumenta con la dosis. [2]
Las dosis altas de radiación dan lugar a efectos deterministas que ocurren de manera confiable por encima de un umbral, y su gravedad aumenta con la dosis. Los efectos deterministas no son necesariamente más o menos graves que los efectos estocásticos; En última instancia, cualquiera de los dos puede provocar una molestia temporal o una muerte. Ejemplos de efectos deterministas son:
El Comité sobre los efectos biológicos de las radiaciones ionizantes de la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos "ha llegado a la conclusión de que no hay pruebas convincentes que indiquen un umbral de dosis por debajo del cual el riesgo de inducción de tumores sea cero". [5]
Cuando se ingieren isótopos emisores de partículas alfa, son mucho más peligrosos de lo que sugeriría su vida media o su tasa de desintegración. Esto se debe a la alta eficacia biológica relativa de la radiación alfa para causar daño biológico después de que los radioisótopos emisores de alfa ingresan a las células vivas. Los radioisótopos emisores alfa ingeridos, como los transuránicos o los actínidos, son en promedio unas 20 veces más peligrosos y, en algunos experimentos, hasta 1.000 veces más peligrosos que una actividad equivalente de radioisótopos emisores beta o gamma. Si no se conoce el tipo de radiación, se puede determinar mediante mediciones diferenciales en presencia de campos eléctricos, campos magnéticos o con cantidades variables de blindaje.
El riesgo de desarrollar cáncer inducido por radiación en algún momento de la vida es mayor cuando se expone a un feto que a un adulto, tanto porque las células son más vulnerables cuando están creciendo como porque hay una esperanza de vida mucho más larga después de la dosis para desarrollar cáncer. Si hay demasiada exposición a la radiación, podrían producirse efectos nocivos en el feto o en los órganos reproductivos. [7] Las investigaciones muestran que escanear más de una vez cada nueve meses puede dañar al feto. [8]
Los posibles efectos deterministas de la exposición a la radiación durante el embarazo incluyen abortos espontáneos , defectos congénitos estructurales , restricción del crecimiento y discapacidad intelectual . [9] Los efectos deterministas se han estudiado, por ejemplo, en supervivientes de los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki y en casos en los que ha sido necesaria la radioterapia durante el embarazo:
Se ha estimado que el déficit intelectual es de unos 25 puntos de coeficiente intelectual por 1.000 mGy entre las 10 y 17 semanas de edad gestacional. [9]
Estos efectos en ocasiones son relevantes a la hora de decidir sobre imágenes médicas en el embarazo , ya que la radiografía de proyección y la tomografía computarizada exponen al feto a la radiación.
Además, el riesgo para la madre de contraer posteriormente cáncer de mama inducido por la radiación parece ser particularmente alto para las dosis de radiación durante el embarazo. [10]
El cuerpo humano no puede detectar la radiación ionizante excepto en dosis muy altas, pero los efectos de la ionización pueden usarse para caracterizar la radiación. Los parámetros de interés incluyen la tasa de desintegración, el flujo de partículas, el tipo de partícula, la energía del haz, el kerma, la tasa de dosis y la dosis de radiación.
El seguimiento y cálculo de dosis para salvaguardar la salud humana se denomina dosimetría y se realiza dentro de la ciencia de la física de la salud . Las herramientas de medición clave son el uso de dosímetros para determinar la absorción de dosis externa efectiva y el uso de bioensayos para la dosis ingerida. El artículo sobre el sievert resume las recomendaciones de la ICRU y la ICRP sobre el uso de cantidades de dosis e incluye una guía sobre los efectos de la radiación ionizante medida en sieverts, y ofrece ejemplos de cifras aproximadas de absorción de dosis en determinadas situaciones.
La dosis comprometida es una medida del riesgo estocástico para la salud debido a la entrada de material radiactivo en el cuerpo humano. La ICRP establece que "para la exposición interna, las dosis efectivas comprometidas generalmente se determinan a partir de una evaluación de las ingestas de radionucleidos a partir de mediciones de bioensayos u otras cantidades. La dosis de radiación se determina a partir de la ingesta utilizando coeficientes de dosis recomendados". [11]
La dosis absorbida es una cantidad de dosis física D que representa la energía media impartida a la materia por unidad de masa mediante radiación ionizante . En el sistema de unidades SI, la unidad de medida es julio por kilogramo y su nombre especial es gris (Gy). [12] La unidad rad no perteneciente al SI CGS también se utiliza a veces, predominantemente en los EE. UU.
Para representar el riesgo estocástico se utilizan la dosis equivalente H T y la dosis efectiva E , y se utilizan factores y coeficientes de dosis apropiados para calcularlos a partir de la dosis absorbida. [13] Las cantidades de dosis equivalentes y efectivas se expresan en unidades de sievert o rem , lo que implica que se han tenido en cuenta los efectos biológicos. Estos suelen estar de acuerdo con las recomendaciones del Comité Internacional de Protección Radiológica (ICRP) y la Comisión Internacional de Unidades y Medidas de Radiación (ICRU). El sistema coherente de magnitudes de protección radiológica desarrollado por ellos se muestra en el diagrama adjunto.
La Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) gestiona el Sistema Internacional de Protección Radiológica, que establece límites recomendados para la absorción de dosis. Los valores de dosis pueden representar una dosis absorbida, equivalente, efectiva o comprometida.
Otras organizaciones importantes que estudian el tema incluyen
La exposición externa es la exposición que se produce cuando la fuente radiactiva (u otra fuente de radiación) está fuera (y permanece fuera) del organismo expuesto. Ejemplos de exposición externa incluyen:
La exposición externa es relativamente fácil de estimar y el organismo irradiado no se vuelve radiactivo, excepto en el caso en que la radiación es un intenso haz de neutrones que provoca la activación .
La exposición interna ocurre cuando el material radiactivo ingresa al organismo y los átomos radiactivos se incorporan al organismo. Esto puede ocurrir por inhalación, ingestión o inyección. A continuación se muestran una serie de ejemplos de exposición interna.
Cuando los compuestos radiactivos ingresan al cuerpo humano, los efectos son diferentes a los que resultan de la exposición a una fuente de radiación externa. Especialmente en el caso de la radiación alfa, que normalmente no penetra la piel, la exposición puede ser mucho más dañina tras la ingestión o la inhalación. La exposición a la radiación normalmente se expresa como una dosis comprometida .
Aunque la radiación se descubrió a finales del siglo XIX, los peligros de la radiactividad y de la radiación no fueron reconocidos de inmediato. Los efectos agudos de la radiación se observaron por primera vez en el uso de rayos X cuando el físico alemán Wilhelm Röntgen sometió intencionalmente sus dedos a rayos X en 1895. Publicó sus observaciones sobre las quemaduras que se desarrollaban, aunque las atribuyó erróneamente al ozono, un radical libre. producida en el aire por los rayos X. Ahora se entiende que otros radicales libres producidos dentro del cuerpo son más importantes. Sus heridas sanaron más tarde.
Como campo de las ciencias médicas, la radiobiología se originó a partir de la demostración de Leopold Freund en 1896 del tratamiento terapéutico de un lunar peludo utilizando la forma recientemente descubierta de radiación electromagnética llamada rayos X. Después de irradiar ranas e insectos con rayos X a principios de 1896, Ivan Romanovich Tarkhanov concluyó que estos rayos recién descubiertos no sólo fotografían, sino que también "afectan la función viva". [18] Al mismo tiempo, Pierre y Marie Curie descubrieron el polonio y el radio radiactivos que más tarde se utilizaron para tratar el cáncer .
Los efectos genéticos de la radiación, incluidos los efectos sobre el riesgo de cáncer, se reconocieron mucho más tarde. En 1927, Hermann Joseph Muller publicó una investigación que demostraba los efectos genéticos y en 1946 recibió el premio Nobel por sus hallazgos.
En términos más generales, en la década de 1930 se intentó desarrollar un modelo general para la radiobiología. Destacado aquí fue Douglas Lea , [19] [20] cuya presentación también incluyó una revisión exhaustiva de unas 400 publicaciones de apoyo. [21] [ página necesaria ] [22]
Antes de que se conocieran los efectos biológicos de la radiación, muchos médicos y corporaciones habían comenzado a comercializar sustancias radiactivas como medicina patentada y charlatanería radiactiva . Algunos ejemplos eran los tratamientos con enemas de radio y las aguas que contenían radio para beber como tónico. Marie Curie se pronunció en contra de este tipo de tratamiento, advirtiendo que no se conocían bien los efectos de la radiación en el cuerpo humano. Curie murió más tarde de anemia aplásica causada por envenenamiento por radiación. Eben Byers , una famosa socialité estadounidense, murió de múltiples cánceres (pero no del síndrome de radiación aguda) en 1932 después de consumir grandes cantidades de radio durante varios años; su muerte llamó la atención del público sobre los peligros de la radiación. En la década de 1930, después de varios casos de necrosis ósea y muerte en entusiastas, los productos médicos que contenían radio casi habían desaparecido del mercado.
En Estados Unidos, la experiencia de las llamadas Radium Girls , donde miles de pintores con diales de radio contrajeron cánceres bucales [23] —pero ningún caso de síndrome de radiación aguda [24] — popularizó las advertencias de salud ocupacional asociadas con los peligros de la radiación. . Robley D. Evans , en el MIT , desarrolló el primer estándar para la carga corporal permisible de radio , un paso clave en el establecimiento de la medicina nuclear como campo de estudio. Con el desarrollo de reactores nucleares y armas nucleares en la década de 1940, se prestó mayor atención científica al estudio de todo tipo de efectos de la radiación.
Los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki provocaron un gran número de incidentes de envenenamiento por radiación, lo que permitió conocer mejor sus síntomas y peligros. El Dr. Terufumi Sasaki, cirujano del Hospital de la Cruz Roja, dirigió una investigación intensiva sobre el síndrome en las semanas y meses posteriores a los bombardeos de Hiroshima. Sasaki y su equipo pudieron monitorear los efectos de la radiación en pacientes que se encontraban en diferentes proximidades de la explosión, lo que llevó al establecimiento de tres etapas registradas del síndrome. Entre 25 y 30 días después de la explosión, el cirujano de la Cruz Roja notó una fuerte caída en el recuento de glóbulos blancos y estableció esta caída, junto con los síntomas de fiebre, como estándares de pronóstico para el síndrome de radiación aguda. [25] La actriz Midori Naka , que estuvo presente durante el bombardeo atómico de Hiroshima, fue el primer incidente de envenenamiento por radiación que se estudió exhaustivamente. Su muerte, el 24 de agosto de 1945, fue la primera muerte certificada oficialmente como resultado de envenenamiento por radiación (o "enfermedad de la bomba atómica").
La Comisión de Víctimas de la Bomba Atómica y la Fundación para la Investigación de los Efectos de la Radiación vigilan el estado de salud de los supervivientes y sus descendientes desde 1946. Han descubierto que la exposición a la radiación aumenta el riesgo de cáncer, pero también que la esperanza de vida media de los supervivientes se reduce sólo en unos pocos meses en comparación con aquellos no expuestos a la radiación. Hasta el momento no se han detectado efectos sobre la salud de ningún tipo en los hijos de los supervivientes. [26]
Las interacciones entre organismos y campos electromagnéticos (CEM) y radiaciones ionizantes se pueden estudiar de varias maneras:
Los experimentos de radiobiología suelen utilizar una fuente de radiación que podría ser:
