Introdução à Física da Radioterapia
Fábio Antonio Schaberle e Nelson Canzian da Silva

3.1. Introdução
3.2. Efeitos biológicos das radiações não ionizantes
3.3. Efeitos biológicos das radiações ionizantes
3.4. Estágios físicos, químicos e biológicos da interação da radiação com os seres vivos
3.5. Respostas do DNA às radiações
3.6. Efeitos somáticos e hereditários
3.7. Radiosensibilidade
3.8. Respostas às radiações em diferentes sistemas do corpo humano

Os fenômenos associados à interação da radiação com a matéria são absolutamente gerais no que diz respeito aos elementos químicos que formam o material irradiado, seja biológico ou não. Destas interações surgem os efeitos biológicos das radiações, que são as conseqüências posteriores à exposição.

Os efeitos das radiações sobre os seres vivos são muitos e complexos. As pesquisas sobre estes efeitos visam, em geral, correlacionar fatores tais como dose recebida, energia, tipo de radiação, tipo de tecido, órgãos atingidos etc. Diferentes tecidos reagem de diferentes formas às radiações. Alguns tecidos são mais sensíveis que outros, como os do sistema linfático e hematopoiético (medula óssea) e do epitélio intestinal, que são fortemente afetados quando irradiados, enquanto outros, como os musculares e neuronais, possuem baixa sensibilidade às radiações.

No contexto biológico os elementos químicos relevantes que formam os tecidos e órgãos dos seres vivos são o carbono, oxigênio, nitrogênio e hidrogênio. Com relação às interações com estes elementos, as radiações são primeiramente classificadas como ionizantes ou não ionizantes.

Em uma interação, a radiação cede a uma molécula certa quantidade de energia, esta energia pode ser suficiente para arrancar um elétron orbital e conferir-lhe energia cinética, provocando assim a ionização. Em outros casos a radiação não tem energia suficiente para provocar ionização, mas consegue promover o elétron a um nível energético superior, acarretando a excitação ou ativação. Existem também situações em que a energia é muito baixa e apenas aumenta a velocidade de rotação, translação ou de vibração da molécula.

A Tabela 1 mostra os primeiros potenciais de ionização para alguns elementos, isto é, a energia necessária para que a radiação incidente possa arrancar o elétron de valência, causando a ionização.

Radiações que não são capazes de ejetar os elétrons da camada eletrônica para os elementos considerados (C, H, O, N) são ditas não ionizantes (no contexto biológico). Os efeitos dessas radiações nos organismos não são menos perigosos pelo fato de não provocarem ionizações, pois elas não atuam só em nível atômico, como acontece com radiações ionizantes, mas também em nível molecular, como acontece com a radiação ultravioleta (UV) quando interage com a molécula de DNA (ácido desoxirribonucléico).

Os raios ultravioleta, que são emitidos pelo Sol e por lâmpadas junto com o espectro visível, são classificados pelo seu comprimento de onda (Tabela 2).

Dentre as radiações não ionizantes, a ultravioleta tem papel preponderante. O DNA, portador da informação genética na célula, devido à sua estrutura molecular, absorve radiações na faixa do UV. O máximo de absorção se dá em torno de comprimentos de onda da ordem de 260 nm (UVC), diminuindo para comprimentos de onda maiores (UVB e UVA), sem absorção na faixa do visível. Os raios UV interagem, portanto, diretamente com o DNA, podendo provocar sérias alterações nos seres vivos (eritemas, bronzeamento, diminuição da resposta imunológica, indução do câncer de pele etc.)

Os raios UVC (germicidas), os mais danosos aos seres vivos, são completamente absorvidos na estratosfera pela camada de ozônio. Os UVB e UVA, entretanto, atingem a superfície terrestre. A interação com o UVB e UVA tem também conseqüências benéficas e mesmo essenciais à sobrevivência, tais como a síntese da provitamina D e a prevenção de distúrbios no metabolismo do cálcio e fósforo, que podem gerar má formação óssea e redução na defesa do organismo.

A maior parte dos danos induzidos por radiação impede a transcrição da informação genética no RNA mensageiro e bloqueia a replicação semiconservativa. Em células desprovidas de qualquer mecanismo de reparação das lesões um único dano no DNA pode acarretar a inativação celular.

Os principais produtos gerados pelo UVC a partir de sua interação com o DNA são os dímeros de pirimidinas (especialmente de timina), hidratos de bases pirimidínicas, ligações cruzadas entre bases pirimidínicas e aminoácidos. Os produtos da interação com o UV longo (UVA e UVB) são análogos aos causados pelas radiações ionizantes e germicidas, embora com eficiências diferentes e através de mecanismos distintos. Assim dímeros de pirimidinas, timina-glicóis e roturas de cadeia polinucleotídicas são observadas em preparações de DNA expostas ao UV longo. As roturas no DNA são dependentes de oxigênio e mediadas por oxidações induzidas por fótons que conduzem a formação de espécies ativadas de oxigênio (OH^·, peróxido de hidrogênio e oxigênio singleto) verdadeiras responsáveis pela quebra da cadeia.

Portanto a energia transferida pelo UV longo na célula ocasiona formação de radicais livres, espécies químicas altamente reativas, e excitações moleculares, que posteriormente reagem quimicamente no meio. Reações de fotoadição também podem ser promovidas pelo UV longo, entre elas são importantes as que ocorrem com as furocumarinas. Estas, quando expostas a radiações de comprimento de onda entre 320nm e 380nm interagem com ácidos nucléicos ou com proteínas, causando eritemas, pigmentação da pele, a inibição da biossíntese de macromoléculas, a inativação celular e a mutagênese.

Os cuidados com as radiações solares são de suma importância na prevenção de doenças como o câncer de pele (não melanoma). Deve-se evitar os raios solares entre 10:00 h e 16:00 h ou, caso inevitável, utilizar protetor solar com fator de proteção elevada e agir com cuidado ao manusear frutas como o limão e figo (que contém furocumarinas) sob o Sol pois podem ocorrer queimaduras gravíssimas e até fatais.

Radiações ionizantes, no contexto biológico, são aquelas capazes de ejetar os elétrons orbitais dos átomos de C, H, O e N. A quantidade de energia depositada por uma radiação ionizante ao atravessar um material depende da natureza química do material e de sua massa específica. É importante ressaltar que a absorção de radiações ionizantes pela matéria é um fenômeno atômico e não molecular.

A transferência linear de energia (TLE) é a grandeza utilizada para caracterizar a interação das radiações ionizantes com a matéria. É definida como "a quantidade de energia dissipada por unidade de comprimento da trajetória" e pode ser expressa em KeV/mm. As radiações ionizantes de natureza eletromagnética são os raios-X (originado nas camadas eletrônicas) e os raios-g (originados no núcleo atômico). As radiações ionizantes de natureza corpuscular mais utilizadas são os elétrons, as partículas alfa, nêutrons e prótons.

A energia de uma radiação pode ser transferida para o DNA modificando sua estrutura, o que caracteriza o efeito direto. Efeitos indiretos ocorrem em situações em que a energia é transferida para uma molécula intermediária (água por exemplo) cuja radiólise acarreta a formação de produtos altamente reativos, capazes de lesar o DNA.

Os processos que conduzem ao dano pela radiação podem ser classificados em 4 estágios:

1. Estágio físico inicial. Dura somente uma fração de segundo (10^-16 s), em que a energia é depositada na célula e causa ionização. Na água o processo pode ser descrito como:

H₂O + radiação ® H₂O⁺ + e

2. Estágio físico-químico. Dura cerca de 10^-16 segundos, em que os íons interagem com outras moléculas de água resultando em novos produtos. O íon positivo se dissocia:

H₂O⁺ ® H⁺ + OH

e o íon negativo, que é o elétron, ataca uma molécula neutra de água, dissociando-a:

H₂O + e^- ® H₂O^-

H₂O^- ® H + OH^-

Os produtos destas reações são H⁺, OH^-, H, OH e H₂O₂.

3. Estágio químico. Dura uns poucos segundos, em que os produtos da reação interagem com as moléculas orgânicas mais importantes da célula. Os radicais livre (H, OH) e os agentes oxidantes (H₂O₂) podem atacar as moléculas compostas que formam o cromossomo.

4. Estágio biológico. Dura de dezenas de minutos a dezenas de anos, dependendo dos sintomas. As alterações químicas, citadas acima, podem danificar a célula de várias maneiras, provocando a sua morte prematura, impedindo a divisão celular, ocasionando mutagênese etc.

Os efeitos das radiações ionizantes no DNA dependem de fatores como tipo de radiação, pH do meio, temperatura, teor de oxigênio, presença de aceptores de radicais livre, características do próprio DNA e a possibilidade de reparação dos produtos induzidos pela radiação. Entre os efeitos estão:

• alterações estruturais das bases nitrogenadas e das desoxirriboses
• eliminação de bases
• rompimento de pontes de hidrogênio entre duas hélices
• rotura de uma ou duas cadeias
• ligações cruzadas entre moléculas de DNA e proteínas.

As radiações que não causam ionização na molécula de DNA também produzem danos. Apesar de não causar ionização, a radiação ultravioleta pode excitar a molécula de DNA ou outras moléculas que absorvam na mesma faixa de energia, criando assim um meio altamente reativo, podendo ocasionar a quebra de cadeias da molécula de DNA por ação de outras moléculas ativadas pela radiação.

As consequências das radiações para os humanos são muitas e variáveis, dependendo dos órgãos e sistemas atingidos. De um modo geral os efeitos são divididos em efeitos somáticos e efeitos hereditários.

Efeitos somáticos. Os efeitos somáticos surgem de danos nas células do corpo, e apresentam-se apenas em pessoas que sofreram a irradiação, não interferindo nas gerações posteriores.

Os efeitos que ocorrem logo após (poucas horas a semanas) uma exposição aguda são chamados de imediatos. Os efeitos que aparecem depois de anos ou décadas são chamados tardios.

A gravidade dos efeitos somáticos dependerá basicamente da dose recebida e da região atingida. Isso se deve ao fato de que diferentes regiões do corpo reagem de formas diferentes ao estímulo da radiação. Alguns exemplos de efeitos somáticos imediatos produzidos por exposição radioativa aguda (doses elevadas, da ordem de Grays) são:

• Sistema hematopoiético: leucopenia, anemia, trombocitopenia etc.
• Sistema vascular: obstrução dos vasos, fragilidade vascular etc.
• Sistema gastrointestinal: secreções alteradas, lesões na mucosa etc.

Os efeitos somáticos tardios são difíceis de distinguir, pois demoram a aparecer e não se sabe ao certo se a patologia se deve à exposição radioativa ou ao processo de envelhecimento natural do ser humano. Por esta razão a identificação dos efeitos tardios causados pelas radiações só podem ser feitos em situações especiais.

Experimentos com animais permitem, com alguma incerteza, descrever os efeitos tardios causados pela radiação, tais como radiocarcinogênese, modificações na duração da vida média e alterações no crescimento e no desenvolvimento, especialmente na embriogênese.

Efeitos hereditários: Os efeitos hereditários ou genéticos surgem somente no descendente da pessoa irradiada, como resultado de danos por radiações em células dos órgãos reprodutores, as gônadas.

Estes efeitos são estudados usando camundongos como cobaias e seus resultados podem ser extrapolados para a espécie humana. Os efeitos genéticos nos camundongos dependem, além de outros fatores:

• da dose de radiação, existindo uma relação linear entre esta e a intensidade do efeito
• da taxa de fracionamento de dose, dependendo de serem ou não reparáveis as lesões provocadas pelas radiações
• da qualidade da radiação, sendo os nêutrons os mais eficientes para provocar a mutagênese que o raio-X ou g;

Na espécie humana ainda não foi possível demonstrar a mutagênese radioinduzida, devido fatores como a dimensão reduzida da população irradiada, o tempo necessário para a obtenção de cada geração, dificuldades de dosimetria etc.

Os diferentes tipos de tecidos do corpo humano possuem diferentes respostas à radiação. Um sistema biológico é mais radiossensível quando irradiado em presença de oxigênio (efeito oxigênio) que em sua ausência (anoxia). A pele humana com reduzida irrigação sanguínea (isquemia), por exemplo, é mais resistente à radiação que a pele normal.

Estudos realizados a partir da irradiação de culturas bacterianas permitiram comparar a radiossensibilidade em diferentes momentos ao longo do crescimento celular. Apesar das eventuais divergências observadas, é possível, para a maior parte das células de mamíferos, estabelecer algumas regras gerais sobre a radiossensibilidade ao longo do ciclo mitótico:

• as células são bastantes sensíveis na fase M, ou nas suas proximidades
• a resistência é maior ao final da fase S
• quando a fase G1 é relativamente longa, ocorre um período de radiorresistência ao seu início, seguido de um período de maior sensibilidade
• a fase G2 caracteriza-se por elevada sensibilidade, ás vezes comparável á observada na fase M

A comparação da radiossensibilidade de diferentes linhagens celulares indica que as células que se dividem rapidamente são mais radiossensíveis que as de reprodução lenta (lei de Bergonié e Tribondeau), embora esta regra tenha exceções.

A radiosensibilidade também depende da eficiência dos mecanismos de reparação celular no DNA e a ação de outros agentes químicos.

Figura 3.7

A ação das radiações no organismo humano produzem uma série de efeitos, que representam danos diferentes para cada região afetada. Os tecidos mais sensíveis à radiação são os da medula óssea, tecido linfóide, dos órgãos genitais, os do sistema gastro-intestinal e do baço. A pele e os pulmões mostram sensibilidade média, enquanto que os músculos, tecidos neuronais e os ossos plenamente desenvolvidos são os menos sensíveis. A seguir, um resumo dos sintomas clínicos, relativos aos efeitos biológicos imediatos mais prováveis na irradiação de corpo inteiro, com doses agudas de radiação:

• Sangue. Os glóbulos brancos do sangue são as primeiras células a serem destruídas pela exposição, provocando leucopenia e reduzindo a imunidade do organismo. Uma semana após uma irradiação severa as plaquetas começam a desaparecer, e o sangue não coagula. Sete semanas após começa a perda de células vermelhas, acarretando anemia e enfraquecimento do organismo.
• Sistema linfático. O baço constitui a maior massa de tecido linfático, e sua principal função é a de estocar as células vermelhas mortas do sangue. As células linfáticas são extremamente sensíveis à radiação e podem ser danificadas ou mortas quando expostas.
• Canal alimentar. Os primeiros efeitos da radiação são a produção de secreção e descontinuidade na confecção de células. Os sintomas são náuseas, vômitos e úlceras no caso de exposição muito intensa.
• Glândula Tireóide. Essa glândula não é considerada sensível à radiação externa, mas concentra internamente iôdo-131 (radioativo) quando ingerido, o que causa o decréscimo da produção de tiroxina. Como consequência, o metabolismo basal é diminuído e os tecidos musculares deixam de absorver o oxigênio necessário.
• Sistema urinário. A existência de sangue na urina, após uma exposição, é uma indicação de que os rins foram atingidos severamente. Danos menores nos rins são indicados pelo aumento de aminoácidos na urina.
• Ossos. A radiação externa tem pequena influência sobre as células dos ossos, fibras e sais de cálcio, mas afeta fortemente a medula vermelha.
• Olhos. Ao contrário de outras células, as das lentes dos olhos não são auto-recuperáveis. Quando estas células são danificadas ou morrem, há formação de catarata, ocorrendo perda de transparência dessas células. Os nêutrons e raios g são os maiores indutores de catarata.
• Órgãos reprodutores. Doses grandes de radiação podem produzir esterilidade, tanto temporariamente como permanente. A sensibilidade de gestantes é maior entre o 7^o e o 9^o mês de gestação. Nas mulheres grávidas que foram expostas às radiações no Japão durante o episódio em que duas bombas atômicas foram lançadas sobre aquele país, houve um aumento significativo de partos retardados e mortes prematuras.

© 2000 Fábio Antonio Schaberle e Nelson Canzian da Silva - Departamento de Física UFSC
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