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  1. 1. Instituto Peruano de Energía Nuclear DIRECCIÓN GENERAL DE PROMOCIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO “Protección Radiológica” Blgo. Marco E. Espinoza Zevallos Laboratorio de Citogenética y Radiobiología
  2. 2. Protección Radiológica Conjunto de Técnicas, Métodos y Normas que garantizan un uso seguro de las radiaciones ionizantes tanto para los que operan fuentes de radiaciones ionizantes como para la población en general y para el ambiente. Su objetivo es evitar que se produzcan efectos determinísticos y reducir hasta un mínimo razonable la ocurrencia de efectos probabilísticos en los seres humanos.
  3. 3. 1990 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection ICRP Publication 60
  4. 4. Principles of Radiation Protection • Justification • Optimisation • Limitation
  5. 5. Marco Conceptual de la Protección Radiológica • La Protección Radiológica debiera causar más bien que mal • Las “prácticas” incrementan la exposición a las radiaciones. • Las “intervenciones” disminuyen la exposición a la radiación ionizante. • Hay tres tipos de exposición: - Ocupacional - Médica - Pública
  6. 6. The Justification of a practice • “No practice involving exposure to radiation should be adopted unless it produces sufficient benefit to the exposed individual or to society to offset the radiation detriment it caused.” • i.e. must be a net benefit.
  7. 7. 7 The Optimisation of Protection • “In relation to any particular source within a practice, the magnitude of individual doses, the number of people exposed, and the likelihood of incurring exposures where these are not certain to be received should be kept as low as reasonably achievable, economic and social factors being taken into account” .
  8. 8. ALARP as low as reasonably practicable
  9. 9. ALARA as low as reasonably achievable
  10. 10. Individual Dose and Risk Limits • “The exposure of individuals resulting from the combination of all the relevant practices should be subject to dose limits, or to some control of risk in the case of potential exposure. These are aimed at ensuring that no individual is exposed to radiation risks that are judged to be unacceptable from these practices in any normal circumstances. Not all sources are susceptible of control by action at the source and it is necessary to specify the sources to be included as relevant before selecting a dose limit. • Previene los efectos deterministicos. • Limita el riesgo de efectos estocásticos hasta un nivel aceptable.
  11. 11. Types of Exposure • Occupational • Medical • Public
  12. 12. 12 Occupational Exposure • “exposures incurred at work as a result of situations that can reasonably be regarded as being the responsibility of the operating manager.” • 20 mSv a year effective dose (averaged over 5 years, but <50mSv in a single year) • 150 mSv a year to lens of eye • 500 mSv a year to 1 cm2 of skin, hands and feet • Fetus: from declaration of pregnancy – for external radiation, 2 mSv to surface of woman’s abdomen – for radionuclides, 1/20 Annual Limit of Intake.
  13. 13. Medical Exposure • “exposures incurred by individuals as part of their own medical diagnosis and treatment .” • “and . . . individuals helping in the support and comfort of patients undergoing diagnosis and treatment (not occupationally) . . .” • No dose limits apply • Consider dose constraints
  14. 14. Public Exposure • Limits apply to exposures from human activities • 1 mSv a year effective dose – in special circumstances, average over 5 years • 15 mSv a year to lens of eye • 50 mSv a year to 1 cm2 of skin.
  15. 15. 70 mrem/yr Medical procedures 53 mrems Consumer products 10 mrems One coast to coast airplane flight 2 mrems Watching color TV 1 mrem Sleeping with another person 1 mrem Weapons test fallout less that 1 mrem Nuclear industry less than 1 mrem Normal annual exposure from man-made radiation Normal annual exposure from natural radiation 300 mrem/year Radon gas 200 mrem Human body 40 mrem Rocks, soil 28 mrem Cosmic rays 27 mrem
  16. 16. Background Cancer Over 30 % of us will develop cancer About 25 % will die of cancer Cancer is variable as a function of • Genetic Background • Environmental Exposures • Diet • Lifestyle
  17. 17. Major Paradigm Shifts • Hit Theory vs. Bystander Effects • Mutation vs. gene induction • Genomic instability vs. multiple steps in carcinogenesis Bystander: a nonparticipant spectator
  18. 18. How Does Radiation Interact with Cells? Past Hit theory • Direct ionization • Free radical formation Present Bystander effects • Cell-cell communication • Cell-matrix communication
  19. 19. CCD camera epi-fluorescent microscope lamp micropositioning stage electron gun zone-plate assembly optical shutter carbon target X-ray mirror CCD camera epi-fluorescent microscope lamp micropositioning stage electron gun zone-plate assembly optical shutter carbon target X-ray mirror
  20. 20. Bystander Effects Normal 10 cGy 3 cGy
  21. 21. Biological Changes Detected in Non-hit Cells • Gene induction • Mutations • Chromosome aberrations • Apoptosis and cell killing • Cell transformation
  22. 22. Breve Historia de la Radiobiología (1)
  23. 23. Breve Historia de la Radiobiología (2)
  24. 24. Breve Historia de la Radiobiología (3)
  25. 25. Kadhim, M.A., Macdonald, D.A., Goodhead, D.T., Lorimore, S.A., Marsden, S.J. Wright, E.G. Transmission of chromosomal instability after plutonium alpha-particle irradiation. Nature, 355, 738- 740, (1992).
  26. 26. Modelos de respuesta de células clonogénicas a la radiación ionizante con mutaciones, aberraciones cromosómicas o ambas (círculos negros) y células aparentemente normales (círculos blancos). (a) Si la célula ciertamente repara el ADN dañado entonces, sus descendientes clonales aparecerán normales. (b) Si una célula resulta directamente mutada por la radiaciónf, todos sus descendientes expresarán la misma mutación. (c) La inestabilidad genómica causada por la radiación se caracteriza por los efectos no clonales en sus descendientes.
  27. 27. Efectos Bystander e inestabilidad genómica inducidos por radiación: interacciones no trazables de la exposición a las radiaciones ionizantes. (Sally A. Lorimore, Philip J. Coates y Eric G Wright)
  28. 28. Kadhim, M.A., Lorimore, S.A. Hepburn, M.D., Goodhead, D.T., Buckle, V.J. Wright, E.G. Alpha-particle-induced chromosomal instability in human bone marrow cells. Lancet, 344, 987-988, (1994). Clutton, S.M., Townsend, K.M.S., Walker, C., Ansell, J.D. Wright, E.G. Radiation-induced genomic instability and persisting oxidative stress in bone marrow cultures. Carcinogenesis 17, 1633-1639 (1996). Watson, G.E., Lorimore, S.A. Clutton, S.M., Kadhim, M.A. Wright, E.G. Genetic factors influencing alpha-particle-induced chromosomal instability. International Journal of Radiation Biology, 71, 497-503 (1997). Lorimore, S.A., Kadhim, M.A Pocock, D.A., Papworth, D. Stevens, D.L., Goodhead, D.T Wright, E.G. Chromosomal instability in the descendants of unirradiated surviving cells after alpha-particle irradiation. Proceedings of The National Academy of Sciences USA, 95, 5730-5733 (1998). Watson, G.E., Lorimore, S.A., Macdonald, D.A. Wright, E.G. Chromosomal instability in unirradiated cells induced in vivo by a bystander effect of ionizing radiation. Cancer Research, 60, 5608 – 5611 (2000).
  29. 29. 7K Microarray Results for “Stress Chip” Clone Selection Dose (Gy) Time (Hr) Induced Genes Repressed Genes 2.5 24 62 8 0.2 24 114 11 .02 24 55 6 Fornace
  30. 30. Normal Initiation Promotion Progression Mutation Theory Tissue Theory Tissues suppress cancer. Gene Mutation and Expression in Cancer Gene Mutation- a rare event Gene Expression- a common event Gene Activation Down Regulation Single cell origin of cancer Normal Progression
  31. 31. LNTH Assumption with Dose Energy to system High dose x small number of subjects Low dose x large number of subjects
  32. 32. Absorbed Dose-Imparted Energy Background Energy Level Biological Response Barrier B A B Imparted Energy (J) in System Number Respondin g
  33. 33. Protección Adecuada • Control de la contaminación radiactiva • Minimizar las exposiciones • Reducir las dosis Cuánto es “suficientemente bajo”? Cero Dosis?
  34. 34. Adequate Protection
  35. 35. Adequate Protection
  36. 36. Adequate Protection
  37. 37. Adequate Protection
  38. 38. Adequate Protection Adequate and Appropriate?
  39. 39. Preguntas y problemas asociados con las relaciones dosis-respuesta • Magnitudes relativas (“ratios”): Energía/Masa=Dosis Daño/Masa=Respuesta • ¿Cuál es la masa apropiada para medir la “dosis” y la “respuesta”? • ¿Hay algo de la relación dosis-respuesta que no se deba exclusivamente a la radiación? • ¿Es la respuesta biológica siempre la misma a las bajas dosis? • ¿Es posible la extrapolación de los valores de dosis y daño?
  40. 40. Dr. Antone Brooks Washington State University Tri-cities Richland, Washington Linear-No-Threshold Hypothesis- Scientific Evidence?
  41. 41. DOE Low-Dose Radiation Research Program • A 10 year program at $21 million/year • International in scope • To fund the best scientist (currently 46 projects/year) • To understand biological mechanisms • To develop radiation standards based on risk http://www.lowdose.org DOE : Department of Energy (USA)
  42. 42. Low-Dose Research Program Goals Understand mechanisms of biological response to low-dose radiation on a cellular and molecular level Evaluate appropriate and adequate risk from low doses and dose-rates of radiation
  43. 43. Why now? • Standards have been set from high dose effects, but low dose effects have not been measurable until now • New technological developments and biological discoveries have made it possible to study low dose effects
  44. 44. Problems Associated with Estimating Health Risks • Background radiation (dose) • Background cancer (response)
  45. 45. ¿Los nuevos paradigmas contradecirán a los principios establecidos? No lineales Eventos independientes múltiples vs. Inestabilidad genómica lineales Expresión génica vs. Mutación Tejido vs. Célula Paradigma: prototipo, ejemplo, ejemplar, modelo, arquetipo, estructura, ide prototipo, ejemplo, ejemplar, modelo, arquetipo, estructura, ide prototipo, ejemplo, ejemplar, modelo, arquetipo, estructura, ide prototipo, ejemplo, ejemplar, modelo, arquetipo, estructura, idea, molde, a, molde, a, molde, a, molde, muestra, pauta, regla muestra, pauta, regla muestra, pauta, regla muestra, pauta, regla. . . .
  46. 46. Resumen • Los riesgos radiológicos de los bajos niveles de exposición a la radiación ionizante no pueden ser predecidos con estudios epidemiológicos. • Combinando los avances en la tecnología con los alcanzados en la biología celular y molecular es posible detectar cambios biológicos producidos por bajos niveles de exposición a las radiaciones. • Estos cambios en la concepción de los efectos a bajas dosis han requerido cambios en los paradigmas radiológicos básicos. • Entender el rol de estos cambios biológicos en el riesgo de cancer puede o no impactar los principios establecidos de la protección radiológica, pero, hará que estos principios sean adecuados y apropiados.
  47. 47. Final