Ciencia y Tecnología de las Radiaciones (página 2)

Partes: 1, 2

Al irradiar a temperatura inferior a aproximadamente 20º C, las lesiones no aparecen en lo inme- diato sino se manifiestan cuando se incrementa ese valor.

Temperaturas inferiores de 15 ó 16º C son protectoras de las radiaciones sobre sistemas bioló- gicos y al irradiar un tejido congelado, los radicales libres formados no se pueden dispersar fácilmente; cuando aumenta la temperatura y se pasa a otro estado, esos nuevos productos tal vez no estén en con- diciones de recombinarse.

– El rol del agua

No se observan consecuencias importantes por aplicación de bajas dosis de radiación en células con bajo contenido de agua y mucho menos deshidratadas. Estos fenómenos se fundamentan en el efecto perjudicial que producen los radicales libres en medio acuoso ya que ese medio es un rápido vehículo pa- ra actuar, recombinarse y formar nuevos productos. Por esto, los tejidos con baja concentración de agua son más radiorresistentes.

– Restauración post irradiación

Después de la aplicación de radiaciones a dosis bajas, las células procuran recomponer sus par- tes lesionadas. Si bien en el laboratorio se demostró que es probable el restablecimiento de moléculas lesionadas, no se estima viable su ocurrencia frecuente "in vivo" ya que según aparecen las rupturas se recombinan casi inmediatamente. La reparación puede ser por:

a) Neutralización de los efectos primarios directos o indirectos producidos en las moléculas.

b) Neutralización de los efectos secundarios, porque las células resintetizan las moléculas que la radiación ha lesionado.

– Umbral de daño

Permite fijar una dosis de seguridad, por debajo de la cual no hay peligro de alteraciones significa-

tivas en células y tejidos. No es nada fácil fijar un umbral en los seres vivos y mas impreciso aún para cada

grupo de ellos.

Aplicaciones de radiación a bajas dosis producen daños leves y se manifiestan desde tempra- na hasta tardíamente.

Aplicaciones de dosis altas de radiación producirán una muerte prematura debido a que se habrá

generado una lesión no reversible o no reparable.

– Irradiación a baja tasa (velocidad) de dosis

A medida que se reduce la tasa, es decir el tiempo que tarda el sustrato en absorber una deter- minada dosis de radiación y por lo tanto se prolonga el tiempo de tratamiento, la capacidad del método disminuye porque durante la irradiación habrá reparación parcial de las partes dañadas.

– Respuesta a las aplicaciones fraccionadas

Cuando se interrumpe el proceso de irradiación, algunas zonas lesionadas se restauran en el intervalo, estableciéndose una competencia entre el daño y la reparación: si el restablecimiento se pro- duce más rápidamente que la lesión, la irradiación tiene menor efecto; es decir, la aplicación de radia- ciones en forma continua hasta llegar a la dosis requerida, tiene mayores consecuencias.

En el caso particular de la cobaltoterapia, el fraccionamiento de la dosis total constituye una me- dida que no tiene opciones, pues la dosis requerida para dañar las células tumorales no puede ser resis- tida por el mamífero enfermo. El fraccionamiento permite que los tejidos sanos se recuperen en el inter- valo mientras que las células enfermas, al presentar mayor actividad metabólica, sufren mayores daños durante la absorción de radiaciones y por lo tanto su recuperación es menor respecto del tejido sano. Esta es una de las ventajas del tratamiento con radiaciones de ciertos tumores sólidos localizados en órganos relativamente radiosensibles.

La respuesta al fraccionamiento de la dosis depende, además, del tipo de tejido y estado en el que se encuentre.

– Efectos en el ritmo circadiano (biorritmo)

Al irradiar a dosis subletales en 5 momentos diferentes del día a Sitophilus granarius y S. orizae (Coleoptera: Curculionidae), insectos con hábitos crepusculares y nocturnos, hemos advertido una desi- gual respuesta a la misma dosis de radiación. Se realizaron aplicaciones de hasta 1 kGy al amanecer, mañana, tarde, crepúsculo y noche, encontrándose una mayor radiosensibilidad en las horas donde su actividad (alimentación, traslación, cópula) se incrementa. Esto es, aparecen lesiones de mayor magni- tud en estos artrópodos irradiados a la misma dosis durante el crepúsculo y la noche.

Esto se explica debido a que las radiaciones generan mayores efectos al interactuar con una materia que tiene gran actividad metabólica, como se citó antes.

Etapas de los efectos biológicos de la radiación

Las secuelas de la radiación sobre los seres vivos pasan por sucesivas fases que se ordenan se- gún su escala de tiempo, de menor a mayor.

Etapa Física

Es una respuesta inmediata a la radiación que ocurre en millonésimas de segundo. Aquí se pro- duce la interacción de los electrones corticales con los fotones o partículas que constituyen el haz de radiación. Los electrones secundarios originados excitan e ionizan a otros átomos provocando una cas- cada de ionizaciones. Se estima que 1 Gray (Gy=100 Joules/kg de masa) de dosis absorbida produce 100.000 ionizaciones en un volumen de 10 ?3. La acción directa de la radiación es consecuencia de ionizaciones que se producen en los áto- mos que forman la molécula del ADN, fenómeno dominante en radiaciones con alta transferencia lineal de energía (LET) como las partículas a, b y protones, que inciden directamente sobre los átomos. Es de- cir, la molécula se altera por absorción de la radiación, ionizándose o excitándose cuando pasa a través suyo una partícula atómica o un electrón. La acción indirecta de la radiación es la interacción del haz de radiación con otros átomos y moléculas de la célula, produciéndose radicales libres que dañan indirectamente la molécula de ADN, o sea la molécula no absorbe energía, sino que la recibe transmitida desde otra.

Etapa Química

Este momento es de un orden ligeramente mayor presentándose en una escala de entre 1 millo- nésima de segundo y 1 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. Cuando las radiaciones interactúan con la materia viva se producen fenómenos fisicoquímicos, pues la ionización y excitación suponen un incremento de energía en las moléculas, lo que compromete su estabilidad; dependiendo de la importancia de la molécula afectada, la lesión biológica será más o menos importante.

Lesiones radioinducidas y radiosensibilidad

Las interacciones de las radiaciones ionizantes pueden traducirse en alteraciones en la bioquími- ca celular, en cadenas de lípidos e hidratos de carbono, cambios estructurales en las proteínas, modifi- caciones en la actividad enzimática, etc., que a su vez repercuten en alteraciones de la membrana, las mitocondrias y demás orgánulos de la célula. Pero donde más estudios se han realizado, es en la acción de la radiación sobre el núcleo, en particular el ADN.

Tipo de lesiones radioinducidas

Lesión subletal: en circunstancias normales, el daño puede ser reparado en el tiempo posterior a la exposición. Puede ocurrir que la inducción de nuevas lesiones subletales, por sucesivos fraccionamien- tos de la dosis, determine letalidad. Lesión potencialmente letal: es un perjuicio particular que está influido por las condiciones ambientales del tejido irradiado durante y después de la irradiación. Lesión letal: es una consecuencia irreversible e irreparable, que conduce a la muerte celular.

Lesiones radioinducidas en la molécula de ADN

Muchas de las alteraciones que producen las radiaciones ionizantes en el ADN son reparadas por la célula y, por tanto, nunca llegan a manifestarse. Cuando la lesión producida es de magnitud importante, los daños cromosómicos reciben el nom- bre de aberraciones o anomalías cromosómicas, que podrán ser compatibles o no con la vida del orga-nismo y obedecen a varios factores dependientes de la radiación, entre ellos:

– La dosis total suministrada: a mayor cantidad de radiación ionizante suministrada (dosis), mayor es la incidencia de mutación o aberraciones. – La tasa de dosis: es la cantidad de radiación administrada por unidad de tiempo. La misma cantidad su- ministrada a 2 seres vivos en tiempos distintos, el daño será mayor en la que fue entregada en menor tiempo ya que la célula no tiene tiempo a recuperarse del daño recibido. El daño producido en el ADN por las radiaciones ionizantes es un factor clave para la muerte ce- lular radioinducida y se demuestra porque:

– Las aberraciones cromosómicas radioinducidas son letales para las células. – Las células con más cromosomas, es decir con más cantidad de ADN, son más radiorresistentes.

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Cuando las radiaciones interactúan con el ADN de las células de tumores sólidos, se producen daños biológicos que se constituyen en el principal motivo de éxito de los tratamientos de radioterapia. La radiación produce distinto tipo de lesiones en el ADN, entre las que destacan:

Rotura simple de cadena: es la lesión más profusa tras la aplicación de radiaciones, produciéndose entre 500 y 1000 roturas simples de cadena por cada Gy absorbido. Ocurre con más periodicidad en las célu- las con oxigeno que en las hipóxicas. Es una lesión subletal.

Rotura doble de cadena: es una lesión compleja que se produce como consecuencia de la rotura de las 2 hebras del ADN en sitios muy próximos. Cada Gy de radiación ocasiona unas 40 roturas dobles de cadena por célula, aunque es muy variable. Es una lesión letal.

Lesión en las bases nitrogenadas: consiste en la pérdida de 1 ó más bases y la modificación química de alguna de ellas, formando dímeros. Son lesiones susceptibles de reparación.

Entrecruzamiento del ADN y las proteínas: es una lesión frecuente por radiación que se produce unas 150 veces en la célula por cada Gy absorbido. Se localiza sobre todo en regiones activas como donde hay replicación (instrumento que permite al ADN duplicarse) y transcripción (que constituye la expresión génica mediante el cual se transfiere la información contenida en la secuencia del ADN hacia la sequen- cia de proteína utilizando diversos ARN como intermediarios).

Daño múltiple localizado: se origina por ionizaciones en la proximidad de la molécula del ADN. Combina 1 ó más roturas dobles de cadena, con un número variable de roturas simples, difíciles de reparar y que conduce a la muerte celular radioinducida.

Como esos cambios en el sustrato están relacionados directamente con la dosis de radiación ab- sorbida, a bajas dosis se implementa el mecanismo de la reparación que es una recuperación parcial de sus características antes del tratamiento.

Se afectan proteínas y ácidos nucleicos que actúan en el funcionamiento de los sistemas digesti- vo, circulatorio y otros. Los daños en el ADN producen mutaciones, es decir cambios en su estructura, pero los daños más severos impiden la síntesis de nuevas proteínas y la célula muere.

Diversos estudios sobre efectos genéticos de las radiaciones desarrollados por el biólogo esta- dounidense Hermann Müller (1890-1967) en la década de 1920, le fueron reconocidos con el otorga- miento del Premio Nobel.

La aplicación de radiaciones ionizantes provenientes de una fuente de 60Co puede producir mu- taciones en los seres vivos porque pueden penetrar la estructura de la materia. Las radiaciones ionizan- tes son empleadas en la industria, en los exámenes médicos y tratamientos oncológicos.

Como el conocimiento de sus efectos en cualquier ser viviente es de suma importancia, le dare- mos mayor trascendencia a la interacción de la radiación en los distintos órganos y sobre los organismos animales, como un todo.

Según la dosis absorbida, 4 son las manifestaciones mas frecuentes del efecto de las radiacio- nes en los tejidos (por orden creciente):

Alteraciones genéticas Retardo en la división celular.Muerte de la célula después de algunas divisiones.Muerte inmediata de la célula.

EFECTOS DE LAS RADIACIONES IONIZANTES EN LA ESCALA BIOLÓGICA

Mientras mayor sea el grado de evolución de una especie animal, mayor radiosensibilidad se apreciará o sea que será más inestable frente a los efectos de las radiaciones aplicadas. Por ejemplo, se necesita entregar una dosis de 25 kGy para matar el 50% de las bacterias de una colonia en 30 días; 8 kGy para los gorgojos y 9 Gy para hacerlo con mamíferos superiores. Los distintos tipos de células que conforman nuestro organismo también tienen diferentes grados de radiosensibilidad. Dentro de las células más vulnerables se encuentran los gametos en formación, los linfocitos y las células de la médula ósea.

SEGUNDA PARTE:

Tecnología de las radiaciones

Antes de adoptar una tecnología, se deben conocer sus alcances para observar las ventajas e inconvenientes que acarreará su elección. Por esto describiremos brevemente las características de las aplicaciones de las radiaciones ionizantes.

La radiación emitida por un isótopo o por una máquina, al incidir en un blanco puede, por ejem- plo, matar los microorganismos patógenos de un alimento o un insumo descartable, y tal consecuencia es deseable. Pero si estos se encuentran en alimentos frescos y con alto contenido acuoso, de manera simultánea se afectarán las proteínas, grasas y vitaminas lipo e hidrosolubles que contienen, con la con-secuente pérdida de nutrientes y alteración de sus características organolépticas. Las radiaciones no son selectivas y por lo tanto producen efectos en todos los componentes del material.

Se observan diferentes respuestas frente a la radiación de parte de productos o cosas tratadas por medio de este método, según sean estas radiosensibles o radiorresistentes. Los cambios producidos están en relación directa a la dosis de radiación absorbida (Gray) y esta también mantiene esa relación con el tiempo de exposición (minutos, horas). O sea, mayor tiempo = mayor dosis = mayores cambios.

También hay otras variables que influyen cuando la radiación interactúa con el objeto absorben- te; algunas son la temperatura y humedad del producto, la concentración de aire, el contenedor (envase) del producto y hasta la hora del día en la que se aplican las radiaciones. Concretamente, a menor tempe- ratura y/o humedad de un blanco biológico dado, menor será el grado de deterioro que sufra, situación similar ocurre cuando los niveles de aire son bajos o nulos (hipoxia y anoxia, respectivamente), si el en- vase es el adecuado y en el caso de los insectos que atacan granos o madera, las radiaciones producen mas daños al ser aplicadas en los momentos que desarrollan mayor actividad (generalmente crepúsculo y noche). Hoy podemos decir, desde el cúmulo de información obtenida en este primer siglo de actividades en el campo nuclear, que el empleo de radiaciones con fines pacíficos contribuye al mejoramiento de la vida al lograrse esterilizar medicamentos, cosméticos, cera de abejas, componentes para implantes den- tarios, injertos de piel, válvulas aórticas, sueros, materiales quirúrgicos y otros descartables de uso mé- dico, envases para análisis y prótesis para transplantes, radioinmunoanálisis, control de insectos dañi- nos, microorganismos patógenos y de tóxicos, prolongación de la vida útil de algunos alimentos, inhibi- ción del desarrollo del brote en tubérculos, imágenes (gammagrafía y neutrografía), radiomutagénesis para el mejoramiento de semillas, tratamiento de efluentes y residuos patogénicos, aguas residuales, ba- sura, biosólidos, barros cloacales, decoloración de efluentes industriales, PCBs de transformadores de electricidad, radiovacunas para combatir enfermedades parasitarias del ganado, se emplean técnicas isotópicas para determinar la edad en formaciones geológicas y arqueológicas (una de las técnicas utili- za el Carbono-14), el uso de radiaciones y de radioisótopos en medicina como agentes terapéuticos y de diagnóstico (radiofármacos), utilizando haces de neutrones generados por reactores es posible llevar a cabo diversas investigaciones en materiales, se utilizan técnicas nucleares para la detección y análisis de diversos contaminantes del ambiente (la técnica más conocida es Análisis por Activación Neutrónica), instrumentos radioisotópicos que permiten realizar mediciones sin contacto físico directo, se emplean in- dicadores de nivel, de espesor o bien de densidad, aplicaciones en polímeros como mejoras en determi- nados plásticos, composites (polietileno/bagazo de caña), vulcanización de látex de caucho natural, mol- deo de siliconas y una cantidad importante de otras aplicaciones al menos en el campo alimenticio, del envase, de la desinfestación, veterinario, agronómico, apícola, farmacológico humano y animal, odonto- lógico, cosmético, artístico y cultural. Es decir, a diario estamos en contacto con materiales tratados con radiaciones y no necesariamente lo sabemos.

El uso de radiaciones debe ser controlado y regulado de acuerdo a exigentes normas y ha de estar en manos de personas responsables y entrenadas.

La aplicación de radiaciones ionizantes no ofrece solución a todos los problemas, estando lejos de ser considerada como una panacea (tanto como cualquier otro método). Pero en los casos que estas aplicaciones brinden los resultados esperados, no hay otra tecnología convencional que la pueda igualar.

Por eso en el campo de las aplicaciones de las radiaciones, cada caso debe ser evaluado de manera individual y analizar escrupulosamente sus efectos y consecuencias.

Cuando las condiciones tecnológicas son favorables, a continuación tiene que estimarse la factibilidad económica de la aplicación.

Respecto de la legislación, no hay productos que por estar tratados con radiaciones se vean limitados o su comercialización o uso prohibidos, en todo caso no habrá información al respecto, para lo cual hay que crearla realizando los estudios que se consideren necesarios y, en caso favorable, luego iniciar los trámites en el sector oficial correspondiente para su libre disponibilidad. Cuando se presente la oportunidad de exportar productos irradiados, se tendrá que averiguar si el país de destino acepta desde la legislación estos artículos.

Las instalaciones

Las aplicaciones de radiaciones ionizantes se pueden realizar desde un equipo de cobaltotera- pia, un aparato autoblindado de laboratorio o bien una planta de irradiación.

A continuación se presentan las características generales de esta última facilidad. La energía ionizante se puede originar a partir de 3 fuentes: radiación gamma, una máquina generadora de electro- nes y un aparato emisor de rayos X. La radiación gamma es energía electromagnética de ondas muy cortas y gran poder de penetración, llamada también "energía ionizante" porque genera iones, que son unas pequeñas partículas cargadas eléctricamente. La fuente más común de rayos gamma es radioisó- topo 60Co y es utilizada desde hace más de 40 años a escala comercial, contándose hoy con unas 300 plantas en todo el mundo.

El material a ser procesado ingresa desde el exterior al depósito. Es conducido por un pasillo al laberinto y se posiciona en la cámara de irradiación construida con hormigón armado con un es- pesor directamente relacionado con la actividad de la fuente (mas actividad, mas espesor) frente a la pileta ba- jo nivel con agua desmineralizada dentro de la que se almacena la fuente radiactiva. El proceso se inicia cuando se retiraron las personas de la sala de irradiación y desde la consola el operador pone en funcio- namiento un motor ubicado en la sala de máquinas para retirar la fuente radiactiva de la pileta por medio de cables de acero para el aprovechamiento de la radiación emitida por esta. Finalizado el tratamiento, las fuentes retornan a la pileta para permitir el libre acceso del personal al recinto y el material irradiado regresa al depósito para ser retirado y utilizado. En este esquema debido a la simplicidad para su fácil comprensión, no se presenta el sistema de transporte, medio por el cual el material ingresa y egresa del recinto de irradiación.

El tiempo del tratamiento dependerá de la dosis de radiación a ser aplicada, la cual será fijada según el propósito de la irradiación (esterilización, desinfestación, inhibición de brote, etc.).

Para los materiales biológicos, básicamente la consecuencia de la exposición a la energía ioni- zante es la penetración de los rayos emitidos en el producto, se rompen las cadenas de ADN de las bac- terias o microorganismos, causándoles la muerte o bien afectándolos irreversiblemente.

La distribución de la dosis absorbida por cualquier material ofrece características particulares de acuerdo a la densidad de cada material, a la geometría del irradiador y a la distancia fuente-producto, caracterizándose por tener una distribución continua entre un valor de dosis mínimo y un valor de dosis máximo: la dosis mínima es la necesaria para alcanzar el objetivo del proceso (esterilización, desinfes- tación, etc.), mientras que la dosis máxima no debe originar cambios que pudieren perjudicar al material que se está irradiando. Por este motivo, es necesario realizar un mapeo de dosis para conocer la distribución y sus valores máximos y mínimos. Luego deberán mantenerse las variables establecidas para que ese mismo tipo de producto se irradie siempre en las mismas condiciones, para lo que se efectuará una determina- ción de la dosis absorbida (dosimetría) en el material irradiado. Esta tarea se implementa en todo pro- ducto irradiado y su conocimiento es importante tanto para el proceso como para el material.

VENTAJAS DE LA TECNOLOGIA

* Es considerado el proceso más seguro para esterilizar y reducir la carga microbiana de determinados productos, los que obviamente tienen que ser mas radiorresistentes que los patógenos que deseamos inactivar.

* Es económicamente viable.

* Durante el tratamiento no se incrementa la temperatura del material en proceso, por esto también se conoce este método como "tratamiento en frío".

* Su alto poder de penetración permite procesar productos en su embalaje final.

* Goza de la mas amplia aceptación internacional.

* Cuando la planta de irradiación no opera, la fuente radiactiva está sumergida a varios metros de pro- fundidad en una pileta forrada con acero inoxidable que contiene agua desmineralizada; el acceso a ese sitio es virtualmente imposible.

Por ser un procedimiento físico no se registra acción residual, por lo tanto se puede utilizar el producto irradiado desde el mismo momento de finalizado el tratamiento. La energía ionizante penetra los productos, interactúa con sus componentes, no deja residuos y la radiación remanente luego es ab-sorbida por las paredes del recinto de irradiación perdiéndose toda su energía en ese medio.

Las preocupaciones ambientales de las tecnologías convencionales, llevan a descubrir los bene- ficios del proceso de energía ionizante por medio de la radiación gamma. Sin emisiones tóxicas ni térmi- cas, sin impactar en la calidad del agua, suelo y aire, sin generar residuos nocivos, ruidos ni olores, sin contribuir al calentamiento global, con costos de mantenimiento bajos, sin riesgos para la salud de los trabajadores ni de los usuarios finales, la aplicación de radiación gamma proporciona significativas ven- tajas ambientales, sanitarias y económicas sobre los métodos tradicionales.

Anexo

Deshechos nucleares

Todo proceso industrial convencional genera inevitablemente deshechos y la sociedad lo aceptó desde siempre.

Una de las razones por la que existe preocupación por la contaminación ambiental, se debe a que hubo una inadecuada gestión de muchos deshechos llamados "peligrosos", almacenándolos sin las debidas precauciones.

En muchas regiones industriales del mundo pueden verse acumulaciones de residuos o la con- secuencia de la presencia de ellos por las diferentes operaciones de la industria. Otros se han arrojado a ríos y mares sin que se hayan evaluado los efectos para el ambiente y las generaciones futuras.

La industria química ofrece numerosos ejemplos de esta despreocupación. Por caso, la conta- minación por mercurio ha creado problemas en diferentes regiones al generar enfermedades y muertes en la población no solo humana sino en animales y plantas y sólo cuando se observaron considerables aumentos de contaminantes en el ambiente, se han adoptado medidas para limitarlos.

En el ámbito nuclear la situación evolucionó de modo algo diferente porque desde un principio se apreciaron los riesgos potenciales que encierran estos deshechos radiactivos y desde hace muchos años se han propuesto una gran cantidad de procedimientos de gestión. En 1957 en una conferencia in- ternacional celebrada en Brucelas se sugirió que los deshechos de alta actividad debían depositarse en salinas. Esta preocupación surgió porque en aquellos años comenzaban a funcionar las primeras centra- les nucleares para generación de energía eléctrica y los estudios relativos a la gestión de los deshechos nucleares tenían por finalidad el desarrollo de técnicas que se utilizarían en el futuro al disponer cantidades significativas de estos deshechos.

Luego aparecieron otras propuestas: las fosas submarinas, los grandes desiertos, …. y hasta enviarlos al sol. Lo cierto es que cada una de estas opciones presenta problemas desde ambientales hasta económicos.

Lo muy bueno de esta situación es que con el transcurrir del tiempo, la sociedad fue cada vez más conciente de la necesidad de mejorar la protección del ambiente, por tanto se plantean verdaderas discusiones sobre el destino final de los deshechos nucleares aunque ya se dispone de la tecnología apropiada para la manipulación y evacuación de los residuos radiactivos. El problema es la decisión sobre cuál puede ser el método mas sustentable para darle destino final a los deshechos nucleares.

No existe "la tecnología perfecta". Hay métodos que son mas aptos que otros, mas económicos que otros, mas limpios que otros, mas sencillos que otros, etc. Estamos viviendo en un mundo que de- manda muchos recursos de modo inmediato, pero al mismo tiempo con todos sus ecosistemas natura- les afectados por la contaminación (efecto invernadero, lluvia ácida, ruido, etc). El desafío es satisfacer las demandas actuales y del futuro inmediato dañando lo menos posible.

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