Radiology and Physical Medicine

The time-scale of effects in radiation biology ETAPAS DE LA ACCIÓN BIOLÓGICA DE LA RADIACIÓN

August 10, 2014 | Translate

In our daily life we are radiation affects us, both coming from nature or from devices that man has created. We cannot understand the modern life without radiation neither modern health systems. However, the radiation is not harmless. Here I will briefly discuss what happens when radiation contact our cells having an organic result.

interior post Sergio Hernandez Villafranca

It is easy to imagine the havoc caused by hurricane devastating a city, and the consequences it has on human lives. But it is not so easy to do when we refer to radiation, because it is not seen nor felt. However, radiation is there and interacts with us. When a beam of radiation reaches our body, it runs into our skin in most cases. But is does not stop there, but deepens and reaches fascias, muscles and visceras, leaving a little of himself wherever it goes. But, how does it do it? To understand it, we have to move to the atomic – molecular level of cells and think that just like a hurricane is able to boot a house off its foundations, the radiation is able to boot molecular fragments of cellular components, being DNA the structure that we have more keep in mind (in which we are going to focus). The effect of radiation is sequential, that is, not everything happens in an instant and neither in the same period of time. We can divide its effect on 3 stages, from earliest to latest:

Physical phase: It is the first thing that occurs when energy charged particles of radiation contacts the atoms that make up DNA. This contact has two consequences: atomic excitation (atoms absorb energy and its electrons move to higher orbitals) and atomic ionization (radiation particles run one or more electrons from atomic orbit). This occurs in a time period of between 10-18 and 10-6 seconds. This process is responsible for the direct damage of radiation on DNA.

Chemical phase: It results from high energy level acquired in the previous step. A series of energy transfer reactions which break adjacent molecular structures resulting in the appearance of free radicals (molecular entities that have triggered an unpaired electron2), which are responsible for indirect damage of radiation on DNA. That damage is mainly due to oxidation of cellular structures leading to loss of function.

Biological phase: It can be also called Biochemical Phase or Cellular/Tissular Phase3. At this phase the cell tries to implement all its enzymatic repair mechanisms to fix the damage acquired in the two previous stages. In the vast majority of cases, the cell will get repaired the damage. In case it cannot fix it, two things will happen: on the one hand, cell death which may have an acute effect on a functional level, which will manifest itself in days or weeks (e.g., ulceration of the skin by non-epithelial parts) or a delayed effect (e.g., esophageal stricture fibrosis); on the other hand, it can occurs a radiation-induced carcinogenesis process (a cancer appears, usually in a few years).

As seen, the radiation seems to be an entity that gives and gives without receiving anything in return, but this is a fake. Radiation takes its own earn. However, nature is wise and our defenses more often than not win.

BIBLIOGRAPHY:

Joiner M, van der Kogel A. Basic Clinical Radiobiology. 4th ed. Edward Arnold. 2009. The time-scale of effects in radiation biology, pages 4 and 5.

IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the “Gold Book”). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; updates compiled by A. Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8. En: http://goldbook.iupac.org/R05066.html

Apuntes de la asignatura Radiología y Medicina Física. Curso 2013/2014. Lección 1: Introducción a la Radiobiología. Etapas de la acción biológica de la radiación. Acciones directa e indirecta. Daño molecular radioinducido.

 

Author: Sergio Hernández Villafranca
4º Course, Medicine. Granada University

En nuestro día a día nos vemos sometidos a la radiación, tanto a la que proviene de la naturaleza como a la que proviene de los aparatos que el ser humano ha creado. No se entiende la vida moderna sin radiación ni mucho menos los sistemas de salud modernos. Sin embargo, la radiación no es inocua. Aquí voy a hablar brevemente de qué ocurre cuando la radiación contacta con nuestras células.

interior post Sergio Hernandez Villafranca

Resulta fácil imaginar el destrozo que supone que un huracán arrase una ciudad y las consecuencias que eso tiene en las vidas humanas. No nos resulta tan fácil hacerlo cuando hablamos de radiación, porque ni la vemos ni la sentimos. No obstante, está ahí e interactúa con nosotros. Cuando llega un haz de radiación a nuestro cuerpo se topa con la piel en la mayoría de los casos. Pero no queda ahí, sino que profundiza y llega a fascias, músculos y vísceras, dejando un poco de sí allí por donde pasa. ¿Pero, cómo lo hace? Para entenderlo, tenemos que trasladarnos al nivel atómico-molecular de las células y pensar que igual que un huracán es capaz de arrancar una casa de sus cimientos, la radiación es capaz de arrancar fragmentos moleculares de los componentes celulares, siendo la estructura que más tenemos que tener en cuenta el ADN (en el cual nos vamos a centrar). El efecto de la radiación es secuencial, es decir, no ocurre todo en un instante y no ocurre lo mismo en el mismo periodo de tiempo. Podemos dividir su efecto en 3 etapas que, de la más temprana a la más tardía:

Etapa física: Es lo primero que ocurre al entrar en contacto las partículas cargadas de energía de la radiación y los átomos que componen el ADN. Este contacto tiene dos consecuencias: excitación atómica (los átomos absorben energía y sus electrones pasan a orbitales superiores) e ionización (las partículas de radiación arrancan uno o más electrones de la órbita atómica).  Esto ocurre en un periodo de tiempo de entre 10-18 y 10-6 segundos. Este proceso es responsable del daño directo de la radiación sobre el ADN.

Etapa química: Resultado del alto nivel de energía adquirido en la etapa anterior, se desencadenan una serie de reacciones de transferencia energética con las cuales se rompen las estructuras moleculares adyacentes resultando de ello la aparición de Radicales Libres (entidades moleculares que poseen un electrón desapareado2), los cuales son responsables del daño indirecto de la radiación sobre el ADN. Ese daño se produce básicamente por oxidación de estructuras celulares que llevan a su pérdida de función.

Etapa Biológica: También puede llamarse Etapa Bioquímica o Etapa celular/tisular3. En esta etapa la célula intenta poner en marcha todos sus mecanismos enzimáticos de reparación para arreglar los daños producidos en las dos etapas anteriores. En la inmensa mayoría de ocasiones, la célula conseguirá reparar el daño. En caso de no poder arreglarlos, podrán ocurrir dos cosas: por un lado, la muerte celular la cual podrá tener un efecto agudo a nivel funcional, que se manifestará en días o semanas (por ejemplo, la ulceración de la piel por no recambio epitelial) o un efecto tardío (por ejemplo: fibrosis esofágica con estenosis); por el otro,  un proceso de carcinogénesis radioinducida (aparecerá un cáncer en un periodo de tiempo que suele ser de años desde la radiación).

Como vemos, la radiación parece un ente que nos da y da sin recibir nada a cambio, pero no es así. Se cobra su parte. Sin embargo, la naturaleza es sabia y casi siempre salimos ganando.

BIBLIOGRAFÍA:

Joiner M, van der Kogel A. Basic Clinical Radiobiology. 4th ed. Edward Arnold. 2009. The time-scale of effects in radiation biology, pages 4 and 5.

IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by A. D. McNaught and A. Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; updates compiled by A. Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8. En: http://goldbook.iupac.org/R05066.html

Apuntes de la asignatura Radiología y Medicina Física. Curso 2013/2014. Lección 1: Introducción a la Radiobiología. Etapas de la acción biológica de la radiación. Acciones directa e indirecta. Daño molecular radioinducido.

 

Autor: Sergio Hernández Villafranca
4º Curso, Grado de Medicina. Universidad de Granada

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