En radiobiología , la efectividad biológica relativa (a menudo abreviada como RBE ) es la relación de efectividad biológica de un tipo de radiación ionizante con respecto a otro, dada la misma cantidad de energía absorbida . La RBE es un valor empírico que varía dependiendo del tipo de radiación ionizante, las energías involucradas, los efectos biológicos considerados como la muerte celular y la tensión de oxígeno de los tejidos o el llamado efecto oxígeno .
La dosis absorbida puede ser un mal indicador del efecto biológico de la radiación, ya que el efecto biológico puede depender de muchos otros factores, incluido el tipo de radiación, la energía y el tipo de tejido. La eficacia biológica relativa puede ayudar a medir mejor el efecto biológico de la radiación. La eficacia biológica relativa de la radiación de tipo R sobre un tejido se define como la relación
donde D X es una dosis absorbida de radiación de referencia de un tipo X estándar , y D R es la dosis absorbida de radiación de tipo R que causa la misma cantidad de daño biológico. Ambas dosis se cuantifican por la cantidad de energía absorbida en las células.
Los diferentes tipos de radiación tienen diferente efectividad biológica principalmente porque transfieren su energía al tejido de diferentes maneras. Los fotones y las partículas beta tienen un coeficiente de transferencia lineal de energía (LET) bajo, lo que significa que ionizan átomos en el tejido que están separados por varios cientos de nanómetros (varias décimas de micrómetro ) a lo largo de su trayectoria. En contraste, las partículas alfa y los neutrones, mucho más masivos, dejan un rastro más denso de átomos ionizados a su paso, espaciados aproximadamente una décima de nanómetro (es decir, menos de una milésima parte de la distancia típica entre ionizaciones de fotones y partículas beta). .
Las RBE se pueden utilizar para riesgos hereditarios o de cáncer ( estocásticos ) o para reacciones tisulares dañinas ( deterministas ). Los tejidos tienen diferentes RBE según el tipo de efecto. Para radiación de alta LET (es decir, alfa y neutrones), las RBE para efectos deterministas tienden a ser más bajas que las de efectos estocásticos. [1]
El concepto de RBE es relevante en medicina, como en radiología y radioterapia , y para la evaluación de riesgos y consecuencias de la contaminación radiactiva en diversos contextos, como la operación de centrales nucleares , la eliminación y reprocesamiento de combustible nuclear , las armas nucleares , la extracción de uranio , y seguridad contra las radiaciones ionizantes .
Para calcular la dosis equivalente a un órgano o tejido, la Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP) ha definido un conjunto estándar de factores de ponderación de la radiación (WR ) , anteriormente denominado factor de calidad ( Q) . [1] [2] Los factores de ponderación de la radiación convierten la dosis absorbida (medida en unidades SI de grises o rads no SI ) en una dosis biológica equivalente formal para la exposición a la radiación (medida en unidades de sieverts o rem ). Sin embargo, la ICRP afirma: [1]
"Las cantidades de dosis equivalente y dosis efectiva no deben usarse para cuantificar dosis de radiación más altas ni para tomar decisiones sobre la necesidad de cualquier tratamiento relacionado con reacciones tisulares [es decir, efectos deterministas]. Para tales fines, las dosis deben evaluarse en términos de absorción dosis (en gris, Gy), y cuando estén involucradas radiaciones de alta LET (p. ej., neutrones o partículas alfa), se debe utilizar una dosis absorbida, ponderada con un RBE apropiado".
Los factores de ponderación de la radiación se basan en gran medida en la RBE de la radiación para los riesgos estocásticos para la salud . Sin embargo, por simplicidad, los factores de ponderación de la radiación no dependen del tipo de tejido, y los valores se eligen de manera conservadora para que sean mayores que la mayor parte de los valores experimentales observados para los tipos de células más sensibles, con respecto a la radiación externa (externa a la célula). ) fuentes. No se han desarrollado factores de ponderación de radiación para fuentes internas de iones pesados, como un núcleo en retroceso.
Los valores estándar de eficacia relativa de la ICRP de 2007 se detallan a continuación. Cuanto mayor sea el factor de ponderación de la radiación para un tipo de radiación, más dañina es, y esto se incorpora al cálculo para convertir de unidades grises a sievert.
Los factores de ponderación de la radiación que van desde la energía física hasta el efecto biológico no deben confundirse con los factores de ponderación de los tejidos . Los factores de ponderación de tejido se utilizan para convertir una dosis equivalente a un tejido determinado del cuerpo en una dosis efectiva , un número que proporciona una estimación del peligro total para todo el organismo, como resultado de la dosis de radiación en una parte del cuerpo. .
Normalmente, la evaluación de la eficacia biológica relativa se realiza en varios tipos de células vivas cultivadas en medio de cultivo , incluidas células procarióticas como bacterias , células eucariotas simples como plantas unicelulares y células eucariotas avanzadas derivadas de organismos como ratas . Al irradiar lotes de células con diferentes dosis y tipos de radiación, se puede encontrar una relación entre la dosis y la fracción de células que mueren, y luego usarla para encontrar las dosis correspondientes a una tasa de supervivencia común. La relación de estas dosis es la RBE de R . En lugar de la muerte, el criterio de valoración podría ser la fracción de células que se vuelven incapaces de sufrir división mitótica (o, en el caso de las bacterias, fisión binaria ), quedando así esterilizadas eficazmente, incluso si todavía pueden llevar a cabo otras funciones celulares.
Los tipos R de radiación ionizante más considerados en la evaluación RBE son los rayos X y la radiación gamma (ambas compuestas por fotones ), las radiaciones alfa ( núcleos de helio-4 ), la radiación beta ( electrones y positrones ), la radiación de neutrones y los núcleos pesados , incluidos Los fragmentos de fisión nuclear . Para algunos tipos de radiación, la RBE depende en gran medida de la energía de las partículas individuales.
Inicialmente se descubrió que los rayos X, los rayos gamma y la radiación beta eran esencialmente equivalentes para todos los tipos de células. Por lo tanto, el tipo de radiación estándar X es generalmente un haz de rayos X con fotones de 250 keV o rayos gamma de cobalto-60 . Como resultado, la eficacia biológica relativa de la radiación beta y de fotones es esencialmente 1.
Para otros tipos de radiación, la RBE no es una cantidad física bien definida, ya que varía algo con el tipo de tejido y con el lugar preciso de absorción dentro de la célula. Así, por ejemplo, la RBE para la radiación alfa es de 2 a 3 cuando se mide en bacterias , de 4 a 6 para células eucariotas simples y de 6 a 8 para células eucariotas superiores. Según una fuente, puede ser mucho mayor (6500 con rayos X como referencia) en los ovocitos. [3] El RBE de los neutrones es de 4 a 6 para las bacterias, de 8 a 12 para las células eucariotas simples y de 12 a 16 para las células eucariotas superiores.
En los primeros experimentos, todas las fuentes de radiación eran externas a las células irradiadas. Sin embargo, dado que las partículas alfa no pueden atravesar la capa muerta más externa de la piel humana, sólo pueden causar daños significativos si provienen de la descomposición de los átomos dentro del cuerpo. Dado que el alcance de una partícula alfa suele ser aproximadamente el diámetro de una sola célula eucariota, la ubicación precisa del átomo emisor en las células del tejido se vuelve significativa.
Por esta razón, se ha sugerido que el impacto en la salud de la contaminación por emisores alfa podría haberse subestimado sustancialmente. [4] Las mediciones de RBE con fuentes externas también ignoran la ionización causada por el retroceso del núcleo principal debido a la desintegración alfa. Si bien el retroceso del núcleo principal del átomo en descomposición normalmente transporta sólo alrededor del 2% de la energía de la partícula alfa que emite el átomo en descomposición, su alcance es extremadamente corto (alrededor de 2 a 3 angstroms), debido a su alta carga eléctrica y gran masa . Se requiere que el núcleo padre retroceda, tras la emisión de una partícula alfa , con una energía cinética discreta debido a la conservación del momento . Por lo tanto, toda la energía de ionización del núcleo de retroceso se deposita en un volumen extremadamente pequeño cerca de su ubicación original, típicamente en el núcleo celular de los cromosomas, que tienen afinidad por los metales pesados. [5] [6] [7] La mayor parte de los estudios, que utilizan fuentes externas a la célula, han arrojado RBE entre 10 y 20. [8] Dado que la mayor parte del daño por ionización del viaje de la partícula alfa se deposita en El citoplasma , mientras que el recorrido del núcleo en retroceso se realiza en el ADN mismo, es probable que el núcleo en retroceso cause un daño mayor que la propia partícula alfa.
En 1931, Failla y Henshaw informaron sobre la determinación de la eficacia biológica relativa (EBR) de los rayos X y γ. Este parece ser el primer uso del término "RBE". Los autores señalaron que la RBE dependía del sistema experimental que se estuviera estudiando. Algo más tarde, Zirkle et al. (1952) que la eficacia biológica depende de la distribución espacial de la energía impartida y de la densidad de ionizaciones por unidad de longitud de trayectoria de las partículas ionizantes. Zirkle et al. acuñó el término 'transferencia de energía lineal (LET)' para su uso en radiobiología para el poder de frenado, es decir, la pérdida de energía por unidad de longitud de trayectoria de una partícula cargada. El concepto se introdujo en la década de 1950, en un momento en que el despliegue de armas nucleares y reactores nucleares impulsó la investigación sobre los efectos biológicos de la radiactividad artificial. Se ha observado que esos efectos dependen tanto del tipo y espectro de energía de la radiación como del tipo de tejido vivo. En esa década se realizaron los primeros experimentos sistemáticos para determinar la RBE. [ cita necesaria ]
