10.7 Usos médicos y efectos biológicos de la radiación nuclear

Usos médicos

El uso médico de la radiación nuclear es bastante común en los hospitales y clínicas actuales. Uno de los usos más importantes de la radiación nuclear es la localización y el estudio de los tejidos enfermos. Este uso requiere un medicamento especial llamado radiofármaco. Un radiofármaco contiene un isótopo radiactivo inestable. Cuando el fármaco entra en el organismo, tiende a concentrarse en las regiones inflamadas del cuerpo. (Recordemos que la interacción del fármaco con el organismo no depende de que un determinado núcleo sea sustituido por uno de sus isótopos, ya que esta interacción viene determinada por las interacciones químicas). Los detectores de radiación utilizados fuera del cuerpo utilizan la radiación nuclear de los radioisótopos para localizar el tejido enfermo. Los radiofármacos se denominan marcadores radioactivos porque permiten a los médicos seguir la actividad de los medicamentos en el cuerpo. Los marcadores radioactivos sirven para muchos fines, como la identificación de células cancerosas en los huesos, tumores cerebrales y la enfermedad de Alzheimer (Figura 10.27). Los marcadores radioactivos también se utilizan para controlar el funcionamiento de los órganos, como el flujo sanguíneo, la actividad del músculo cardíaco y la captación de yodo en la glándula tiroides.

Figura 10.27 Estas imágenes cerebrales se producen utilizando un radiofármaco. Los colores indican la actividad metabólica o bioquímica relativa (el rojo indica alta actividad y el azul, baja). La figura de la izquierda muestra un cerebro normal y la figura de la derecha muestra el de una persona diagnosticada con la enfermedad de Alzheimer. La imagen del cerebro normal indica una actividad metabólica mucho mayor (una mayor fracción de áreas rojas y naranjas) (crédito: modificación de obras de los Institutos Nacionales de Salud (National Institutes of Health)).

La Tabla 10.2 enumera algunos usos de diagnóstico médico de los radiofármacos, incluyendo los isótopos y los niveles típicos de actividad (A). Una prueba diagnóstica habitual utiliza el yodo para obtener imágenes del tiroides, ya que el yodo se concentra en ese órgano. Otro diagnóstico nuclear habitual es la gammagrafía con talio para el sistema cardiovascular, que revela obstrucciones en las arterias coronarias y examina la actividad del corazón. Se puede utilizar la sal TlCl porque actúa como el NaCl y sigue a la sangre. Tenga en cuenta que la Tabla 10.2 enumera muchos usos de diagnóstico para el ${}^{\text{99m}}\text{Tc}$, donde "m" representa el estado metaestable del núcleo del tecnecio. Este isótopo se utiliza en muchos compuestos para obtener imágenes del esqueleto, el corazón, los pulmones y los riñones. Aproximadamente el $80\text{\%}$ de todos los radiofármacos contienen ${}^{\text{99m}}\text{Tc}$ porque produce una radiación fácilmente identificable de rayos $\gamma$ de 0,142-MeV y tiene una vida media corta de 6,0 horas, lo que reduce la exposición a la radiación.

Los primeros detectores de radiación producían imágenes bidimensionales, como una foto tomada con una cámara. Sin embargo, para producir imágenes tridimensionales se puede utilizar una matriz circular de detectores que pueda girar. Esta técnica es similar a la utilizada en la tomografía computarizada (TC) de rayos X. Una de las aplicaciones de esta técnica es la denominada tomografía computarizada de emisión monofotónica (Single-Photon-Emission Computed Tomography, SPECT) (Figura 10.28). La resolución espacial de esta técnica es de aproximadamente 1 cm.

Figura 10.28 La máquina de SPECT utiliza compuestos radiofármacológicos para producir una imagen del cuerpo humano. La máquina aprovecha la física del decaimiento del pulso nuclear y las colisiones electrón-positrón (crédito: "Woldo"/Wikimedia Commons).

La mejora de la resolución de la imagen se consigue mediante una técnica conocida como tomografía por emisión de positrones (PET). Esta técnica utiliza radioisótopos que decaen por radiación ${\beta }^{+}$. Cuando un positrón se encuentra con un electrón, estas partículas se aniquilan y producen dos fotones de rayos gamma. Esta reacción está representada por

Estos fotones de rayos $\gamma$ tienen energías idénticas de 0,511-MeV y se alejan directamente unos de otros (Figura 10.29). Esta firma de decaimiento fácilmente identificable puede utilizarse para hallar la ubicación del isótopo radiactivo. Entre los ejemplos de isótopos emisores de ${\beta }^{+}$ que se utilizan en la PET están ${}^{11}\text{C},{}^{13}\text{N},{}^{15}\text{O},\text{y}{}^{18}\text{F}$. Los núcleos tienen la ventaja de funcionar como etiquetas para los compuestos naturales del cuerpo. Su resolución de 0,5 cm es mejor que la de la SPECT.

Figura 10.29 Un sistema PET aprovecha los dos fotones idénticos de rayos $\gamma$ producidos por la aniquilación positrón-electrón. Estos fotones de rayos $\gamma$ se emiten en direcciones opuestas, de modo que se determina la línea a lo largo de la cual se emite cada par.

Los escáneres PET son especialmente útiles para examinar la anatomía y la función del cerebro. Por ejemplo, pueden utilizarse para controlar el uso del oxígeno y el agua por parte del cerebro, identificar las regiones de metabolismo reducido (relacionadas con la enfermedad de Alzheimer) y localizar las diferentes partes del cerebro responsables de la vista, el habla y la motricidad fina.

Efectos biológicos

La radiación nuclear puede tener efectos tanto positivos como negativos en los sistemas biológicos. Sin embargo, también puede utilizarse para tratar e incluso curar el cáncer. ¿Cómo entendemos estos efectos? Para responder a esta pregunta, piense en las moléculas dentro de las células, en particular las moléculas de ADN.

Las células tienen largas moléculas de ADN de doble hélice que contienen códigos químicos que rigen la función y los procesos de la célula. La radiación nuclear puede alterar las características estructurales de la cadena de ADN, lo que provoca cambios en el código genético. En las células humanas, podemos tener hasta un millón de casos individuales de daños en el ADN por célula al día. El ADN contiene códigos que comprueban si está dañado y puede repararse a sí mismo. Esta capacidad de reparación del ADN es vital para mantener la integridad del código genético y para el funcionamiento normal de todo el organismo. Debe estar activo constantemente y debe responder rápidamente. La tasa de reparación del ADN depende de varios factores, como el tipo y la edad de la célula. Si la radiación nuclear daña la capacidad de la célula para reparar el ADN, la célula puede

1. Retirarse a un estado irreversible de latencia (conocido como senescencia);
2. Suicidarse (lo que se conoce como muerte celular programada); o
3. Pasar a la división celular no regulada, que puede dar lugar a tumores y cánceres.

La radiación nuclear también puede dañar el cuerpo humano de muchas otras maneras. Por ejemplo, las dosis altas de radiación nuclear pueden causar quemaduras e incluso la pérdida del cabello.

Los efectos biológicos de la radiación nuclear se expresan mediante muchas cantidades físicas diferentes y en muchas unidades distintas. Una unidad común para expresar los efectos biológicos de la radiación nuclear es el rad o unidad de dosis de radiación. Un rad equivale a 1/100 de julio de energía nuclear depositada por kilogramo de tejido, escrito como:

Por ejemplo, si una persona de 50,0 kg se expone todo su cuerpo a la radiación nuclear y absorbe 1,00 J, su dosis de radiación en todo el cuerpo es

Las radiaciones nucleares dañan las células al ionizar los átomos de las mismas al atravesarlas (Figura 10.30). Los efectos de las radiaciones ionizantes dependen de la dosis en rads, pero también del tipo de radiación (alfa, beta, gamma o rayos X) y del tipo de tejido. Por ejemplo, si el rango de la radiación es corto, como ocurre con los rayos $\alpha$, entonces la ionización y el daño creado son más concentrados y más difíciles de reparar para el organismo. Para tener en cuenta estos efectos, definimos la eficacia biológica relativa (relative biological effectiveness, RBE). En la Tabla 10.3 se ofrecen ejemplos de valores de RBE para varios tipos de radiación nuclear ionizante.

Figura 10.30 La imagen muestra la ionización ocasionada en las células por las radiaciones $\alpha$ y $\gamma$. Debido a su rango menor, la ionización y el daño ocasionados por los rayos $\alpha$ se concentran más y para el organismo es más difícil repararlos. Por lo tanto, la RBE en los rayos $\alpha$ es mayor que la RBE en los rayos $\gamma$, aunque producen la misma cantidad de ionización con la misma energía.

Una unidad de dosis que se relaciona estrechamente con los efectos en los tejidos biológicos se denomina hombre equivalente a roentgen (Roentgen Equivalent Man, rem) y se define como la dosis (en rads) multiplicada por la eficacia biológica relativa (RBE). Así, si una persona recibe una dosis en todo el cuerpo de 2,00 rad de radiación $\gamma$, la dosis en rem sería de $\left(\mathrm{2,00}\text{rad}\right)\left(1\right)=\mathrm{2,00}$ rem para todo el cuerpo. Si la persona recibió una dosis en todo el cuerpo de 2,00 rad de radiación $\alpha$, entonces la dosis en rem sería de $\left(\mathrm{2,00}\text{rad}\right)\left(20\right)=\mathrm{40,0}$ rem para todo el cuerpo. Los rayos $\alpha$ tendrían un efecto 20 veces mayor en la persona que los rayos $\gamma$ para la misma energía depositada. El equivalente en el Sistema de Unidades (System of Units, SI) del rem, y el término más estándar, es el sievert (Sv):

Las RBE mostradas en la Tabla 10.3 son aproximadas pero reflejan una comprensión de la radiación nuclear y su interacción con el tejido vivo. Por ejemplo, se sabe que los neutrones causan más daño que los rayos $\gamma$, aunque ambos son neutros y tienen rangos grandes, debido a la radiación secundaria. Cualquier dosis inferior a 100 mSv (10 rem) se denomina dosis baja, de 0,1 Sv a 1 Sv (de 10 a 100 rem) se denomina dosis moderada, y toda dosis superior a 1 Sv (100 rem) se denomina dosis alta. Es difícil determinar si una persona ha estado expuesta a menos de 10 mSv.

Los efectos biológicos de los distintos niveles de radiación nuclear en el cuerpo humano se recogen en la Tabla 10.4. El primer indicio de que una persona ha estado expuesta a la radiación es un cambio en el recuento sanguíneo, lo cual no es sorprendente, ya que las células sanguíneas son las que se reproducen más rápidamente en el cuerpo. A dosis más altas, se observan náuseas y pérdida de cabello, lo que puede deberse a la interferencia con la reproducción celular. Las células del revestimiento del sistema digestivo también se reproducen rápidamente y su destrucción provoca náuseas. Cuando el crecimiento de las células capilares se ralentiza, los folículos pilosos se adelgazan y se rompen. Las dosis altas causan una importante muerte celular en todos los sistemas, pero las dosis más bajas que causan muertes lo hacen debilitando el sistema inmunitario mediante la pérdida de glóbulos blancos.

Fuentes de radiación

El ser humano también está expuesto a muchas fuentes de radiación nuclear. En la Tabla 10.5 se ofrece un resumen de las dosis medias de radiación de las distintas fuentes por países. La Tierra emite radiación debido a los isótopos de uranio, torio y potasio. Los niveles de radiación de estas fuentes dependen de la ubicación y pueden variar en un factor de 10. Los fertilizantes contienen isótopos de potasio y uranio, que digerimos en los alimentos que consumimos. Los fertilizantes tienen más de 3.000 Bq/kg de radioactividad, en comparación con los 66 Bq/kg del carbono 14.

Las consultas médicas también son una fuente de radiación nuclear. Una muestra de las dosis de radiación nuclear más comunes se encuentra en la Tabla 10.6. Estas dosis son generalmente bajas y pueden reducirse aún más con técnicas mejoradas y detectores más sensibles. Con la posible excepción de las radiografías dentales de rutina, el uso médico de la radiación nuclear se utiliza solo cuando el riesgo-beneficio es favorable. Las radiografías de tórax proporcionan las dosis más bajas -alrededor de 0,1 mSv al tejido afectado, con menos de $5\text{\%}$ de dispersión en los tejidos de los que no se obtiene una imagen directa. Otros procedimientos de rayos X alcanzan unos 10 mSv en una TC, y unos 5 mSv (0,5 rem) por radiografía dental, y en ambos casos solo afectan al tejido fotografiado. Las imágenes médicas con radiofármacos dan dosis que van de 1 a 5 mSv, generalmente localizadas.