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Francisco Diogo Carvalho Guerra Liberal
Avaliação e Caraterização por
Métodos Computacionais de
Diferentes Radioisótopos no
Contexto da Terapia Paliativa de
Metástases Ósseas
Julho 2013
Avaliação e Caracterização por Métodos
Computacionais de Diferentes Radioisótopos no
Contexto da Terapia Paliativa de Metástases
Monografia do Curso de Mestrado em Engenharia Biomédica da
Universidade do Porto
Francisco Diogo Carvalho Guerra Liberal
Licenciado em Engenharia Biomédica pela Universidade
de Trás-os-Montes e Alto Douro (2013)
Orientador:
João Manuel R. S. Tavares
Professor Associado do Departamento de Engenharia
Mecânica da Faculdade de Engenharia da
Universidade do Porto
Coorientador:
Adriana Alexandre S. Tavares
Investigadora da Molecular Neurolmaging (MNI), LLC New
Haven, Connecticut, USA
Agradecimentos
Ao Professor João Manuel R. S. Tavares pela orientação e disponibilidade fornecidos ao
longo deste trabalho, fundamentais para a correta elaboração do mesmo.
A Dr.ª. Adriana Alexandre S. Tavares pelo apoio prestado a este trabalho, bem como,
pelo auxílio e ajuda fornecida para a realização do mesmo.
E a todos aqueles de que forma direta e indireta contribuíram de forma positiva para o
desenvolvimento deste trabalho.
Sumário
O objectivo principal do presente trabalho (Avaliação e Caraterização por Métodos
Computacionais de Diferentes Radioisótopos no Contexto da Terapia Paliativa de
Metástases Ósseas) é determinar o eventual impacto de alguns radiofármacos
utilizados atualmente em terapias paliativas ou em testes clínicos, através do recurso a
métodos computacionais de forma a realizar uma análise comparativa entre os
diferentes radioisótopos disponíveis.
Sabe-se que um agente ideal para radioterapia tumoral dirigida deve apresentar, entre
outras características, semi-vida física entre 30 minutos e 10 dias, nuclídeos filhos
estáveis (semi-vida superior a 60 dias) e química adequada a captação pelo tecido
ósseo.
A radioterapia interna com utilização de radioisótopos tem sido amplamente utilizada
para terapia paliativa das metástases ósseas, encontrando-se múltiplos radioisótopos
em utilização como, Samário-153, o Estrôncio-89, o Rénio-186 e 188, o Fósforo-32, o
Tecténio-99m, o Hólmio-166, o Estanho-117m, o Lutécio-177, o Samário-153 e o
Rádio-223.
Para a realização da Dissertação final de Mestrado é necessário proceder a uma
recolha e pesquisa bibliográfica de estudos científicos desenvolvidos nesta área de
interesse, bem como, da informação sobre algumas técnicas a utilizar para a execução
prática do trabalho envolvido, dais quais se destaca os simuladores radiobiológicos
desenvolvidos pelo Prof. Robert Stewart da Universidade de Washington, sendo eles,
Monte Carlo Damage Simulaton (MCDS), Monte Carlo Excision Repair (MCER) e o
Virtual Cell (VC), que em conjunto realizam uma simulação detalhada dos efeitos
biológicos da radiação a nível celular e molecular.
Uma vez finalizada essa pesquisa, realiza-se a definição do projeto a desenvolver,
nomeadamente pela abordagem ao protocolo a utilizar, os dados mais importantes
para a realização das simulações. Serve o presente documento como planificação dos
Trabalhos Práticos a realizar no âmbito desta Dissertação
Índice
1.1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................................... 14
1.2. PRINCIPAIS OBJETIVOS ........................................................................................................... 15
1.3. ESTRUTURA ORGANIZATIVA .................................................................................................. 16
1.4. CONTRIBUIÇÕES PRINCIPAIS .................................................................................................. 17
2.1. INTRODUÇÃO ......................................................................................................................... 21
2.2. PRINCÍPIOS DO CICLO CELULAR .............................................................................................. 22
2.3. CINÉTICA CELULAR ................................................................................................................. 24
2.4. APOPTOSE E NECROSE ........................................................................................................... 26
2.5. SUMÁRIO ............................................................................................................................... 28
3.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................. 32
3.2 EFEITOS CELULARES DA RADIAÇÃO ............................................................................................. 33
3.3 EFEITOS DIRETOS E INDIRETOS DA RADIAÇÃO ............................................................................ 34
3.4 TIPO DE DANOS E DESTINO DAS CÉLULAS RADIOINDUZIDOS ...................................................... 36
3.4.1. MÉTODO DE CLASSIFICAÇÃO DAS LESÕES AO ADN .................................................................................. 37
3.5 MECANISMOS DE REPARAÇÃO DO ADN ..................................................................................... 38
3.6 CURVAS DE SOBREVIDA .............................................................................................................. 41
3.7 SUMÁRIO .................................................................................................................................... 43
4.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................. 47
4.2 PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DOS RADIOISÓTOPOS ................................................................. 48
4.2.1 FÓSFORO-32 ................................................................................................................................... 49
4.2.2 ESTRÔNCIO-89 ................................................................................................................................. 49
4.2.3 ÍTRIO-90 ......................................................................................................................................... 50
4.2.4 ESTANHO-117M ............................................................................................................................... 50
4.2.5 SAMÁRIO-153 ................................................................................................................................. 51
4.2.6 HÓLMIO-166 ................................................................................................................................... 52
4.2.7 TÚLIO-170 ...................................................................................................................................... 52
4.2.8 LUTÉCIO-177 ................................................................................................................................... 53
4.2.9 RÉNIO-186 ...................................................................................................................................... 53
4.2.10 RÉNIO-188 ............................................................................................................................ 54
4.2.11 RÁDIO-223 ............................................................................................................................ 54
4.3 SUMÁRIO .................................................................................................................................... 55
5.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................. 59
5.2 SIMULADORES ............................................................................................................................ 59
5.3 VANTAGENS E DESVANTAGENS .................................................................................................. 61
5.4 MONTE CARLO DAMAGE SIMULATION – MCDS .......................................................................... 62
5.4.1 INFORMAÇÃO DE ENTRADA E SAÍDA ...................................................................................................... 66
5.5 MONTE CARLO EXCISION REPAIR – MCER ................................................................................... 68
5.5.1 INFORMAÇÃO DE ENTRADA E SAÍDA ...................................................................................................... 72
5.6 VIRTUAL CELL - VC....................................................................................................................... 73
5.6.1 INFORMAÇÃO DE ENTRADA E SAÍDA ...................................................................................................... 75
5.7 SUMÁRIO .................................................................................................................................... 79
6.1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................. 84
6.2 PROCEDIMENTOS ....................................................................................................................... 84
6.3 SUMÁRIO .................................................................................................................................... 93
7.1 CONCLUSÕES FINAIS ................................................................................................................... 97
7.2 PERSPETIVAS FUTURAS ............................................................................................................... 98
Capítulo 1
Introdução ao Trabalho e Estrutura
da Monografia
1.1. Introdução
As metástases ósseas são uma das mais importantes complicações associada ao
desenvolvimento e proliferação de células malignas. Estas são também um dos
maiores problemas que um doente com cancro pode experienciar, sendo que cerca de
80-100% dos doentes que morrem de cancro da próstata, mama e pulmão possuem
metástases ósseas. De entre esses doentes, mais de 75% experienciam significativas
dores ósseas e 50 % dos mesmos reportam analgia inadequada [13].
O alívio dos sintomas induzidos pelas metástases ósseas pode ser conseguido por via
de um tratamento de corpo inteiro ou meio corpo com feixes de radiação externo de 8
Gy, com uma taxa de sucesso a rondar os 80%. Contudo com o uso desta modalidade
de irradiação corporal externa, todos os tecidos do corpo estão expostos a elevados
níveis de radiação de forma semelhante, o que pode causar efeitos secundários
consideráveis, em particular para os tecidos saudáveis que se encontram à volta do
tecido tumoral maligno [8].
A terapia com radiofármacos é menos invasiva, tipicamente melhor tolerada e produz
resultados no alívio da dor óssea, com a vantagem de limitar a exposição da radiação
aos tecidos alvos [15]. Contudo, estudos são necessários para investigar,
nomeadamente, quais as melhores vias de administração, dose, frequência de
administração e radioisótopos que resultarão numa melhor captação do radiofármaco
por parte do tecido alvo [8, 13].
Atualmente vários estudos têm vindo a apresentar dados favoráveis ao tratamento
paliativo de metástases ósseas quando este é aplicado em estados menos avançados
da doença oncológica e muitos radiofármacos novos têm sido apontados como tendo
elevado potencial terapêutico [13]. Outros estudos têm demonstrado que os
radioisótopos que decaem por emissão de partículas β- e por captura eletrónica são os
que apresentam maior potencial terapêutico, bem como, alguns radioisótopos com
decaimento α, como o caso do rádio-223, onde a sua elevada energia é depositada
num volume muito reduzido [10, 17].
Irradiação de células tumorais com recurso a partículas radioativas como as acima
mencionadas, por via de uso de radiofármacos, pode induzir lesões na estrutura do
ADN da célula alvo, as quais podem subsequentemente levar à morte da mesma por
um processo de morte celular programada designado de apoptose [13]. Tal resultaria
numa destruição seletiva de células tumorais por um processo de morte celular
controlado. Uma variedade de fatores contribui para a eficiência dos radiofármacos,
dado que os efeitos da radiação nas células é um processo complexo e vários esforços
têm vindo a ser realizados para melhor compreender todo este processo através de
estudos in vitro e in vivo, bem como avanços científicos na área da radiobiologia. Para
além disso, nos últimos anos têm vindo a ser desenvolvidos, com sucesso, vários
simuladores computacionais que têm vindo a acelerar a obtenção de resultados in
silico e melhorar o conhecimento científico atual na área de radiobiologia celular,
nomeadamente na área de efeitos da radiação ionizante em células.
1.2. Principais Objetivos
Estudos e publicações recentes documentam o interesse da terapia com recurso a
radiação, com múltiplas aplicações na área oncológica, constituindo assim um tema
em voga nos dias de hoje. Neste sentido, os estudos radiobiológicos, como os que se
pretendem realizar, são absolutamente pertinentes e necessários para de uma forma
simples e barata melhor caraterizar a natureza dos efeitos produzidos pelos diferentes
radioisótopos em diferentes cenários de oncologia, bem como o seu potencial como
agente terapêutico.
Assim, uma vez concluída esta Dissertação com o tema “Avaliação e Caraterização por
Métodos Computacionais de Diferentes Radioisótopos no Contexto da Terapia
Paliativa de Metástases Ósseas”, espera-se contribuir para um maior conhecimento
cientifico sobre:
• O eventual potencial terapêutico de cada radioisótopo estudado,
nomeadamente através da análise dos efeitos radiobiológicos produzidos
pelas principais emissões de cada radioisótopo;
• A avaliação dos efeitos radiobiológicos das principais emissões de cada
radioisótopo em vários cenários de simulação.
Por seu lado, após a conclusão dos Trabalhos Práticos, espera-se conseguir abordar de
forma correta e global o plano de trabalhos a desenvolver, no que toca ao uso dos
diferentes simuladores e parâmetros de simulação para os diferentes cenários, pela
recolha de informação cientifica que funciona como explicação introdutória de alguns
dos métodos utilizados, seguida de uma breve explicação dos procedimentos a
desenvolver para realizar a Dissertação.
1.3. Estrutura Organizativa
Pretende-se organizar o presente documento de uma forma autónoma e
independente para facilitar o acesso as diversas áreas estruturas em 7 capítulos.
Assim, descreve-se sumariamente de seguida o que será abordado em cada capítulo:
• Capítulo 2. Biologia Celular
Neste capítulo realiza-se uma descrição global, dos principais conceitos do ciclo
celular, com acessória relação deste com a morte celular programada, isto é, apoptose.
Este capítulo reveste-se de capital importância pois para o desenvolvimento desta
Dissertação é fundamental o conhecimento da cinética celular, em particular, as suas
relações com o processo apoptótico.
• Capítulo 3. Radiobiologia Celular
Neste terceiro capítulo são explicados os conceitos básicos associados ao uso de
radiação em células e os efeitos que esta provoca nas mesmas, esclarecendo-se
conceitos como curvas de sobrevida, e principais mecanismos de reparação celular.
• Capítulo 4. Radioisótopos para Terapia Paliativa
Neste quarto capítulo são enumeradas as principais características de cada
radioisótopo com potencial terapêutico, bem como as características das suas
principais emissões radioativas.
• Capítulo 5. Simuladores em Radiobiologia
Neste quinto capítulo são enumerados e descritos os simuladores que se prevê utilizar
para a realização da Dissertação, bem como todos os parâmetros necessários para o
controlo de cada cenário. Realizando também de uma forma sucinta uma comparação
da utilização dos simuladores em relação a uma cultura celular.
• Capítulo 6. Introdução a Simulação
Neste penúltimo capítulo são expostas algumas simulações simples utilizadas para
melhor compreender o funcionamento dos simuladores anteriormente descritos,
explicando-se também como se pretende realizar os futuros cenários de irradiação.
• Capitulo 7. Conclusões Finais e Perspetivas Futuras
Neste último capítulo são apresentas algumas conclusões finais sobre o trabalho
desenvolvido, indicando igualmente quais as perspetivas futuras da continuação do
desenvolvimento deste trabalho para posterior apresentação como Dissertação.
1.4. Contribuições Principais
Como principais contribuições dos Trabalhos Práticos, enquanto trabalho guia para a
execução prática dos procedimentos para o desenvolvimento correto desta
Dissertação, salientam-se o estudo dos diferentes simuladores, processo apoptótico e
ciclo celular, a revisão bibliográfica, bem como, a descrição algo detalhada dos
radioisótopos e funcionamento dos simuladores que se pretendem utilizar durante um
projeto desta natureza.
No que diz respeito à Dissertação espera-se que esta contribua para melhorar o
conhecimento científico neste tema em particular, pois é um campo de intensa
pesquiza e interesse crescente.
Capítulo 2
Biologia Celular
2.1. Introdução
De um modo geral, as células crescem, aumentam o seu conteúdo e por fim dividem-
se. Cada célula origina duas células-filhas que, se tudo ocorrer dentro da normalidade,
serão geneticamente idênticas á célula-mãe. Por sua vez, estas células-filhas podem
tornar-se células-mães da geração seguinte. Assim, a vida de uma célula começa
quando esta surge a partir da célula-mãe e acaba, quando ela própria se divide para
originar duas células-filhas.
O conjunto de transformações e processos que decorrem desde a formação da célula
até ao momento em que ela própria se divide constitui um processo dinâmico e
continuo, denominado ciclo celular.
Durante a divisão celular, os organelos, enzimas e outros constituintes da célula são
distribuídos pelas células-filhas. O ADN é exatamente auto-duplicado e as copias
rigorosamente divididas. É esta fidelidade na duplicação e na distribuição do material
genético pelas células-filhas que assegura a continuidade genética.
Todo o procedimento do ciclo celular e controlado por diversas proteínas e enzimas
que além de garantirem a ausência de erros, transmitem a cinética do ciclo, isto é, a
duração de cada fase especifica do processo e o tempo total necessário para que todo
o processo ocorra. Uma pequena mutação numa proteína ou enzima de controlo, pode
ter consequências dramáticas na cinética celular, como no caso das células
carcinogénicas, em geral o período do ciclo celular é muito inferior as celular normais.
Um destino final das células, muito característico e importante do ponto de vista
terapêutico é a morte celular por apoptose, isto é, morte celular programada que tem
um efeito mínimo ou mesmo ausente sobre as células vizinhas.
A apoptose é um mecanismo de segurança presente nas células que é desencadeado
sempre que as células são danificadas de forma irreversível, garantindo assim mais
uma vez a continuidade genética.
Mais uma vez, o processo apoptótico é controlado por um vasto número de enzimas e
proteínas específicas, que iniciam todo o processo assim que algum recetor é ativado.
2.2. Princípios do Ciclo Celular
As células crescem e dividem-se de acordo com o seu ciclo celular. Este ciclo é o
processo através do qual uma célula somática duplica o seu material genético e o
reparte igualmente às suas células-filhas, e é dividido em interfase e fase mitótica. A
interfase corresponde ao período entre o fim de uma divisão celular e o início da
divisão seguinte, enquanto, a fase mitótica enquadra o período durante o qual ocorre
a divisão celular propriamente dita.
São conhecidas aproximadamente 50 proteínas que atuam como fatores de
crescimento. As células que possuem o recetor específico para um determinado fator
de crescimento serão iniciadas no ciclo, enquanto as que não expressarem esse
recetor permanecerão inativas.
A interfase, que antecede a fase mitótica divide-se em três subfases: G1, S e G2. O
intervalo G1, ou pós-mitótico, inicia-se quando a célula é estimulada a multiplicar. Este
intervalo corresponde ao período entre o fim da mitose e o início da síntese de ADN
(fase S), e caracteriza-se por um amento do volume celular e intensa síntese de
proteínas e enzimas. Na fase S, ocorre a autorreplicação de cada uma das moléculas de
ADN, a fim de que cada cromossoma seja formado por dois cromatídeos ligados por
um centrómero. O intervalo G2, ou pré-mitótico, ocorre após a síntese de ADN (fase S)
e antes do início da mitose. Neste período ocorre sobretudo a síntese de biomoléculas
e ARN necessários à divisão celular, consultar figura 1.
Ilustração 1: Progressão do ciclo celular depende de uma sequência de ativação e desativação de diversos
complexos CDKs e CDKIs (Stewart e Kleihues, 2003)
Durante o ciclo celular existem etapas de avaliação interna relativamente ao
prosseguimento do ciclo celular, designados por Checkpoint 1, que ocorre no final do
intervalo G1 e Checkpoint 2, que ocorre no final do intervalo G2. Se o resultado da
avaliação for negativo as células param o seu processo de divisão e permanecem no
estádio denominado G0 por tempo indeterminado ou até à sua morte. Se pelo
contrário, a avaliação efetuada for positiva, estas processem para a fase seguinte do
ciclo celular, a fase mitótica.
Relativamente à fase mitótica esta é comummente dividida em duas etapas principais:
a mitose, que corresponde à divisão do núcleo, e a citocinese, que corresponde à
divisão do citoplasma. A mitose, embora seja um processo continuo, é dividido
didaticamente em: prófase, metáfase, anáfase e telófase. A prófase é, de um modo
geral, a etapa mais longa da mitose. Nesta fase, sucede a condensação dos
cromossomas, tornando-se mais espessos e curtos, e os dois centríolos começam a
afastar-se em sentidos opostos, formando-se o fuso acromático. Na metáfase os
cromossomas atingem o máximo de encurtamento, o fuso acromático fica completo e
os centríolos atingem os pólos da célula. Para além disso, os cromossomas orientam-se
com os centrómeros no plano equatorial, voltados com as terminações para fora.
Durante a anáfase surge a clivagem dos centrómeros, separando-se os dois
cromatídeos que passam a constituir dois cromossomas independentes. Durante nesta
fase ocorre a ascensão dos cromossomas filhos. Por ultimo, na telófase, a membrana
nuclear reorganiza-se em torno dos cromossomas de cada célula-filha o fuso mitótico é
degradado e os cromossomas descondensam, terminado assim a mitose.
A citocinese carateriza-se pela divisão do citoplasma e consequente individualização
de cada célula-filha. Estre processo começa a ser preparado durante a mitose com a
formação do anel contrátil de filamentos proteicos. Estes durante a citocinese
contraem-se e puxam a membrana celular para dentro, causando um sulco de
clivagem, que vai lentamente estrangulando o citoplasma até separar as células-filhas.
A duração das subfases do ciclo celular varia com as espécies, tipo de tecido e com o
estado de desenvolvimento do organismo. Tipicamente o tempo de duplicação celular
varia entre 10 a 40 horas com a fase G1 a durar 30%, fase S 50%, fase G2 15% e a
mitose 5% do tempo do ciclo celular. A radiossensibilidade celular também varia ao
longo do ciclo celular, em geral, a fase final do estádio S é a mais radiorresistente, a
fase G2 e M são as mais radiossensíveis.
2.3. Cinética celular
Todo o ciclo celular de cada tipo de célula é controlado por diversos marcadores,
enzimas e proteínas que lhes proporciona uma cinética particular, que pode ser
alterada se ocorrer alguma alteração genética, como no caso das células
carcinogénicas da próstata e mama.
As células carcinogénicas metastáticas da próstata, tal como as células normais que as
originam, são sensíveis a estimulação por hormonas de crescimento. Estas células são
dependentes de hormonas, uma vez que, na presença de certas hormonas a sua
percentagem de proliferação (Kp) é estimulada, enquanto na ausência aumenta a sua
taxa de morte celular (Kd). Na presença das hormonas corretas, ocorre o contínuo
crescimento destas células, uma vez que, a taxa de proliferação supera a taxa de morte
celular [22].
Estudos realizados por Carter e colaboradores concluíram que o tempo necessário de
duplicação de células da próstata é de 2.4±0.6 anos enquanto para células
metastáticas era de 1.8±0.2 anos. Por seu lado os estudos realizados por Schmid e
colaboradores obtiveram 5.8 e 3.6 anos respectivamente.
O Kp, expressa em percentagem a taxa de proliferação diária de um tipo particular de
células, é calculado dividindo o valor GF para esse tipo de célula pelo período
intermitótico Tc, expresso em dias, e posteriormente multiplicado o resultado por 100.
O GF é determinado por análises imunocitoquimicas para detetar células em ciclo
celular, através da deteção do antigene Ki67 presente em células em proliferação (G1,
S, G2) e ausente em células fora de ciclo (G0). O GF é então a porção de células da
amostra marcadas positivamente para o antigene Ki67.
O Tc é determinado usando culturas de células da próstata saudáveis e carcinogénicas
(DU-145, PC-3 e LNCaP), observando o tempo entre mitoses sucessivas através do
recurso a vídeo, conclui-se pelo estudo de Berges e colaboradores que para ambas as
amostras o Tc é de 48±5 horas.
O Kd expressa em percentagem a taxa de morte celular diária, é calculado dividindo a
fração de células que a extremidade do ADN é marcada com TTF (terminal transferase)
exógena purifica pela meia vida das células marcadas, geralmente 12 horas, e depois
multiplicado por 100.
Mais propriamente um valor de meia vida de 12±2 horas para células normais, 12±3
para células metastáticas da próstata.
Por fim conclui-se então que a taxa de crescimento é dada pela subtração de Kd a Kp
para cada tipo particular de célula. Quando Kd < Kp o tempo de duplicação é dado pela
formula:
𝐷𝑇 =𝑙𝑛2
[𝑘𝑝 − 𝑘𝑑]
Quando Kd = Kp, o tempo de renovação de todo o tecido é calculado por:
𝑇𝑡 = 1 𝑘𝑝�
A percentagem de proliferação das células normais da próstata é baixa, contudo, é
elevada o suficiente para equilibrar a baixa percentagem de morte celular espontânea.
Demonstrando assim que as células da próstata estão em equilíbrio, tendo um Tt de
500±79 dias. Quando as células da próstata entram numa fase inicial de carcinogénese,
ocorre um aumento de 6.9 vezes o valor normal de Kp, e com um aumento de 4 vezes o
valor de Kd. Levando assim a acumulação diária de 0.45±0.11% de celulas. Ficando
assim um tempo de duplicação de 154±22 dias para estas células.
Os resultados demostraram também que o valor Kp das células metastáticas é 10.7
vezes superior comparado com as células normais e o valor de Kd é unicamente 3.8
vezes superior ao das células normais. Levando assim a uma taxa de crescimento
celular no osso das células metastáticas de 1.28±0.23%, traduzindo-se assim num
tempo de duplicação de 54±5 dias, consultar tabela 1.
Tabela 1: Parâmetros da cinética das células da próstata (adaptado Berges 1995)
Tipo celular Kp (%) Kd (%) Tempo de
duplicação (dias) Células epiteliais da
próstata 0.19±0.03 0.20±0.03 500±79
Células de elevado valor neoplástico 1.25±0.30 0.80±0.24 154±22
Células metastáticas da próstata no osso 2.04±0.29 0.79±0.16 54±5
2.4. Apoptose e Necrose
Apoptose, ou morte celular programada, carateriza-se por ocorrer de forma individual,
não infligindo, por isso, morte às células vizinhas. A morte celular por apoptose
participa em múltiplas situações fisiológicas. A combinação da apoptose com a
proliferação celular é responsável pelo delineamento de tecidos e órgãos nos
embriões. Por exemplo, a apoptose regula a separação dos dedos nos fetos. Problemas
na regulação da apoptose podem conduzir ao aparecimento de inúmeras patológicas,
nomeadamente cancro, (Tavares 2009).
O processo apoptótico tem o seu início após a captação de um sinal ou estimulo pelas
células para entrarem em apoptose, realizando um vasto conjunto de alterações.
Uma família de proteínas denominada caspase, é tipicamente ativada nas fases iniciais
do processo, sendo responsáveis pela degradação de componentes celulares
fundamentais para o funcionamento celular normal, incluindo enzimas responsáveis
pela reparação do ADN. Por outro lado, as caspases podem ativar enzimas
destruidoras, tais como, ADNases, que iniciam a quebra do ADN.
A célula em apoptose apresenta uma morfologia distinta e caraterística, que tem início
com o encurtamento celular devido a destruição dos filamentos de actina e lâminas do
citoesqueleto. Posteriormente o núcleo celular apresenta uma aparência em ferradura
devido a quebra da cromatina e condensação nuclear e um contínuo encurtamento
celular é observado de forma a permitir a posterior remoção dos restos celulares pelos
macrófagos. Na fase final da apoptose surgem pequenas bolsas membranares, que
formam vesículas, denominados corpos apoptóticos. Estas alterações morfológicas são
comuns a todas as células em apoptose explícita, independentemente do agente
indutor do processo. Quer isto dizer que a ação das caspases representa uma via
comum, que opera em todas as células programadas para morrer, (Anazetti e Melo
2007).
A sensibilidade da célula face a um estímulo apoptótico depende de um número de
fatores como a expressão de proteínas indutoras e anti-apoptóticas, a intensidade do
estímulo e o estádio do ciclo celular. Existe um extenso número de mecanismos que
induzem apoptose. A apoptose pode ser desencadeada por estímulos extrínsecos, tais
como, a ligação de indutores de apoptose a recetores da membrana celular,
denominados recetores de morte celular. Para além dos processos referidos, a
apoptose pode ser induzida por sinais intrínsecos que produzem stresse celular, devido
à exposição à radiação, a químicos ou vírus. Pode igualmente resultar de uma privação
de fatores de crescimento ou stresse oxidativo induzido pela formação de radicais
livres.
Existe uma grande correlação entre o ciclo celular e a apoptose, reconhecida pelos
genes que codificam as proteínas c-Myc, p53, Rb, ras, PKA, PKC, Bcl-2, NF-kB, CDK,
ciclinas e CKI. Após estimulação, estas proteínas podem induzir proliferação celular,
interrupção do ciclo celular ou morte celular programada. A resposta celular é
fortemente influenciada pela informação genética existente, o microambiente, a
extensão de dano no ADN e a concentração de diferentes proteínas.
Por outro lado, a morte celular por necrose ocorre, geralmente, em resposta a danos
severos nas células e é caraterizada, morfologicamente, por um aumento do volume
citoplasmático e mitocondrial, seguido da rutura da membrana plasmática e
extravasamento do conteúdo celular, induzindo deste modo uma resposta
inflamatória, que pode causar dano e, por vezes até morte às células vizinhas. Deste
modo, quando a morte celular ocorre por via da necrose, um grande número de
células é afetado e lesado durante o processo inflamatório. Contrariamente ao
processo de retração celular observada aquando do processo apoptótico, na necrose
observa-se um edema celular devido as lesões no citoesqueleto e inibição das bombas
de Na+/K+, o que origina a perda da permeabilidade seletiva da membrana.
Em síntese, na apoptose, ou morte celular programada, as células morrem como
resultado de uma grande variedade de estímulos, contudo, o processo é controlado e
regulado. Contrariamente a necrose, corresponde à morte celular descontrolada, que
conduz ao aparecimento de lise celular e consequente resposta inflamatória, consultar
imagem 2.
Ilustração 2: Apoptose e a necrose são distinguidas por alterações morfológicas características
(Stewart e Kleihues, 2003)
2.5. Sumário
Deste capítulo conclui-se que a célula começa a sua vida quando se origina a partir da
divisão da célula-mãe e termina quando ela própria se divide em duas células-filhas,
dai se denomina esta existência cíclica das células por ciclo celular. O ciclo celular, bem
como toda a cinética associada desempenham um papel fundamental na resposta
celular à irradiação pois aquando de um dano pode repara-lo, pode ordenar a morte
celular, por apoptose, ou pode retirar essas células do ciclo celular, permanecendo
num estádio de paragem, designado G0. A apoptose é o processo de morte celular que
menos danos causa às células vizinhas, sendo o processo ideal de fim celular aquando
da irradiação.
Capítulo 3
Radiobiologia Celular
3.1 Introdução
Quando a radiação ionizante interage com células ou tecidos, ocorrem interacções e
deposição de energia nos diversos componentes da célula, principalmente no ADN, por
este ser o componente mais sensível.
Os efeitos da radiação podem ser diversos dependendo do grau de maturação e tipo
celular em causa, bem como da qualidade da radiação. Podendo ser provocados de
uma forma direta, isto é, a própria radiação interage diretamente com o alvo, neste
caso o ADN ou outro qualquer constituinte da célula, ou podem ser provocados de
forma indireta, nesta, a radiação atua sobre moléculas de água, produzindo radicais
livres altamente reativos, que por sua vez interagem e provocam lesões nos
constituintes celulares.
A irradiação de uma célula pode resultar em nove destinos finais:
• Ausência de efeito;
• Atraso na divisão: a célula atrasa a entrada no processo de divisão;
• Apoptose: a célula morre antes de se dividir ou após divisão por fragmentação
em pequenos corpos;
• Falha reprodutiva: a célula morre na tentativa de executar mitose;
• Instabilidade genómica: carateriza-se por um atraso da falha reprodutiva
como resultado da introdução de instabilidade genómica;
• Mutação: a célula sobrevive, mas esta mutada;
• Transformação: a célula sobrevive, mas a mutação leva a alterações de
fenótipo e possibilidade de carcinogénese;
• Efeito bystander: uma célula irradiada envia sinais às células vizinhas não
irradiadas, induzindo nestas danos genéticos;
• Reposta adaptativa: a célula irradiada é estimulada a reagir e torna-se mais
resistente a radiação, (Suntharalingam 2002).
Dos destinos finais, enumerados anteriormente, aquele que é mais interessante do
ponto de vista da radioterapia metabólica dirigida, é a apoptose, pois este destino
induz menos danos nas células vizinhas e, adicionalmente, impede a propagação de
aberrações cromossómicas radioinduzidas.
As células têm mecanismos intrínsecos de resposta as diversas lesões que a radiação
ionizante pode provocar no ADN. Estes mecanismos de uma forma geral após a
detecção do local lesado procedem a uma substituição das bases incorrectas ou
mesmo de um segmento da cadeia de ADN, de forma a tentar corrigir a lesão e
assegurar a integridade genética.
Dos mecanismos conhecidos, tem especial destaque os mecanismos de reparação mais
simples que são utilizados principalmente nas quebras simples como o caso da
reparação por excisão de bases (Base Excision Repair, BER) que permite corrigir
problemas em bases individuais, reparação por excisão de nuclídeos (Nucleotide
Excision Repair, NER) que corrige através da remoção e substituição de oligonuclídeos,
com comprimentos entre 24 e 32 nucleótidos. Este processo é a via primaria de
remoção de espécies reativas do oxigénio.
Quando existem ou ocorrem danos irreparáveis no ADN, geralmente o próximo passo
é a apoptose, ou more celular programada, de forma a evitar, as consequências de
reparações altamente mutagénicas.
3.2 Efeitos Celulares da Radiação
Pelas leis de Bergonie e Tribondeau (1906), conclui-se que quanto mais diferenciada é
a célula, maior é a sua radiorresistência e quanto maior é a taxa de proliferação, de
crescimento e atividade metabólica da célula, maior é a radiossensibilidade. Assim,
tecidos ou órgãos em desenvolvimento e proliferação ativa são mais radiossensível
que tecidos ou órgãos totalmente desenvolvidos e diferenciados, ilustração 4.
Em 1925, Ancel e Vitemberger modificam a lei de Bergonie e Tribondeau, introduzindo
a noção de tempo de latência, afirmando que a suscetibilidade das células à lesão por
radiação é o mesmo, mas o tempo de aparecimento das lesões produzidas pela
radiação vária de acordo com o tipo de célula, influenciadas pela quantidade de
stresse biológico que a célula está sujeita, necessidade de divisão, e às condições de
pré e pós-radiação da célula exposta.
Ilustração 3: Relação entre a radiossensibilidade das células e as suas características de divisão e diferenciação celulares.
Os efeitos celulares da radiação podem também ser classificados com base na sua
probabilidade de ocorrência, sendo divididos em dois tipos distintos:
• Efeitos estocásticos: Podem aparecer a partir da lesão de uma ou várias células,
não existe limiar, pelo que os efeitos são de natureza aleatória, isto é, assume-se
que existe sempre a probabilidade de ocorrerem, mesmo para pequenas doses
de radiação. Um aumento da dose implica um aumento da frequência do efeito e
não da sua gravidade.
• Efeitos determinísticos: estão associados a um limiar a partir do qual surgem, são
os efeitos cuja severidade aumenta com o aumento da dose.
3.3 Efeitos Diretos e Indiretos da Radiação
Quando as células são expostas a radiação ionizante, ocorrem primeiramente efeitos
físicos entre os átomos e moléculas da célula e a radiação, e só mais tarde se verificam
os danos biológicos. Os efeitos biológicos da radiação resultam sobretudo de lesões
• Vida curta • Indiferenciadas • Dividem-se regularmente
Muito Alta
• Dividem-se um número limitado de vezes • Algum grau de diferenciação Alta
• Dividem-se irregularmente • Esperança de vida muito variavel Média
• Vida longa • Não se dividem muitas vezes • Grau variavel de diferenciação
Baixo • Não se dividem • Altamente diferenciadas Muito Baixo
provocadas ao ADN, o qual é o componente mais sensível da célula no que toca a
radiação ionizante. Contudo, existem outros componentes da célula, que uma vez
danificados, podem produzir efeitos biológicos na célula como por exemplo enzimas,
lípidos estruturais, entre outros.
Quando a radiação incidente interage com o material biológico, transfere energia para
a célula, provocando danos que pode ser resultado de efeitos diretos ou indiretos da
radiação. No efeito direto, a radiação interage diretamente com a molécula alvo, ou
seja o ADN. Os átomos do ADN são ionizados ou excitados, conduzindo a uma cascata
de eventos físicos e químicos, que eventualmente produzem o dano biológico. O efeito
direto é o processo dominante em interações de radiação de alta LET.
No efeito indireto, a radiação interage com outas moléculas ou átomos,
principalmente moléculas de água, no interior da célula, produzindo radicais livres, os
quais posteriormente provocam a ionização da molécula alvo. As interações da
radiação com as moléculas de água no interior da célula produzem radicais livres de
curta vida, nomeadamente, o H2O+ e o OH·. Os radicais livres em causa podem induzir
danos no ADN, os quais conduzem a danos biológicos. Cerca de dois terços do dano
biológico provocado por radiação de baixa LET é devido ao efeito indireto da radiação,
consultar imagem 4 [2].
Ilustração 4: Efeitos Diretos versos Efeitos Indiretos (Hall e Giaccia, 2006)
3.4 Tipo de Danos e Destino das Células
Radioinduzidos
As células expressam os danos radioinduzidos aquando da sua divisão e multiplicação.
Lesões que provocam aberrações cromossómicas e mutações genéticas nas células,
podem levar à morte celular, inibição da divisão celular ou a transformações malignas.
Estas alterações celulares podem ter como consequências finais a alteração da função
tecidular, morte tecidular ou indução de cancro.
A interação de radiação ionizante com material biológico provoca uma cascata de
eventos nefastos para a estrutura e função do material em causa. Quando existe
interação entre radiação e o ADN, um dos seguintes efeitos biológicos na estrutura do
ADN podem ocorrer: 1) alteração das ligações entre as bases, devido a substituição de
bases, adição de novas bases ou remoção de bases existentes, substituição cruzada de
bases; 2) Single Strand Break (SSB), quebras simples da cadeia; ou 3) Double Strand
Break (DSB), quebras duplas da cadeia. Estes danos do ADN podem conduzir a
alterações na função do ADN levando uma das seguintes consequências: inibição
temporária ou permanente da síntese de ADN, síntese de ADN incorreto, inibição ou
prevenção da mitose ou mesmo síntese de proteínas incorretas. Por outro lado
quando a interação da radiação ocorre com enzimas, alterações da estrutura terciária
ou disrupção das ligações químicas das enzimas podem ocorrer, levando à inibição da
atividade enzimática ou a alterações do metabolismo celular. Se as interações ocorrem
nas membranas celulares, pode ocorrer um aumento da permeabilidade aos iões,
resultando em potenciais alterações da composição intracelular e extracelular da
célula.
Suntharalingam em 2002 classifica os danos provocados em células de mamíferos em
três grandes grupos:
• Danos letais: os quais são irreversíveis, conduzindo à morte da célula;
• Danos subletais: podem ser reparados em algumas horas exceto se outros
danos subletais forem adicionados durante a reparação celular, o que
conduzirá ao aparecimento de um dano letal;
• Danos potencialmente letais: podem ser manipulados pelos mecanismos de
reparação quando as células são retidas no estádio G0.
Como consequência dos danos provocados pela radiação a célula pode-se encaminhar
para um de nove possíveis destinos finais, (Suntharalingam 2002):
• Ausência de efeito;
• Atraso na divisão: célula fica retida no estádio G0;
• Apoptose: a célula morre por fragmentação;
• Falha reprodutiva: a célula morre na tentativa de executar mitose;
• Instabilidade genómica: carateriza-se por um atraso da falha reprodutiva como
resultado da introdução de instabilidade genómica;
• Mutação: a célula sobrevive, mas está mutada;
• Transformações: a célula sobrevive, mas a mutação leva a alterações de
fenótipo e possibilidade de carcinogénese;
• Efeito bystander: a célula irradiada envia sinais as células vizinhas não
irradiadas, induzindo danos genéticos nas mesmas;
• Resposta adaptativa: a célula irradiada é estimulada para reagir e tornar-se
mais resistentes à radiação.
A escala temporal associado à quebra de ligações químicas e subsequente dano
biológico, período de latência, situa-se entre algumas horas a anos, dependendo do
tipo de dano. Caso a morte celular seja o resultado da irradiação, esta pode ocorrer
dentro de algumas horas, isto é, efeitos precoces da radiação. Contudo, se o dano for
oncogénico, a sua expressão pode ser adiada durante anos, isto é, efeito tardio da
radiação.
3.4.1. Método de Classificação das Lesões ao ADN
Nikjoo e colaboradores, em 1997, definiram dois métodos alternativos de classificação
de quebras nas cadeias de ADN.
Esses esquemas de classificação consideravam 1) os padrões de quebras de acordo
com a complexidade do dano (simples, duplo e combinações) numa ou ambas as
cadeias de ADN, figura 5; e 2) classificação das quebras como resultado direto ou
indireto da radiação (devido a radicais livres). As classificações são apresentadas na
tabela 2, (Nikjoo 1997 e 2001).
Ilustração 5: Esquema de classificação de danos do ADN segundo (Nikjoo 1997 e 2001)
Classificação Descrição
Ausência de quebra Não ocorre deposição energética por efeito direto, nem a
deposição energética devido a radicais livres (efeito indireto) conduz à formação de quebras do ADN
SSB Quebra simples do ADN SSB+ Duas quebras simples na mesma cadeia ADN
2SSB Duas ou mais quebras simples em cadeias opostas separadas por >10 bp, mas não classificadas como quebras duplas DSB Duas quebras simples opostas e separadas por ≤10 bp
DSB+ Uma quebra dupla acompanhada por uma ou mais quebras simples separadas por menos de 10 bp
DSB++ Mais de uma quebra dupla no segmento de ADN separadas por 10 bp ou mais Tabela 2: lassificação das diferentes quebras do ADN, segundo (Nikjoo 1997, 2001)
3.5 Mecanismos de Reparação do ADN
Quando a radiação ionizante interage com material biológico, principalmente o ADN,
provoca alterações na sua estrutura num curto espaço de tempo, entre 10-3 e 10-5
segundos, estimulando a quebras de ligações químicas do ADN. Contudo, os efeitos
biológicos de tal lesão surgem tardiamente, após um período de latência quem pode
demorar desde algumas horas até vários anos. Como consequência dos danos no ADN
a célula pode sofrer uma mutação, entrar em apoptose ou tornar-se numa célula
carcinogénica.
Dependendo da energia depositada pela radiação ionizante na célula irradiada podem
ocorrer quebras de apenas uma cadeia de ADN ou quebras nas duas cadeias de ADN
(mencionadas anteriormente). Em termos biológicos as quebras simples são
tipicamente de fácil reparação, não apresentando assim grandes consequências
celulares, a não ser em caso de reparação incorreta a qual pode conduzir ao
aparecimento de uma mutação. Também as quebras duplas separadas por vários pares
de bases são frequentemente facilmente reparados pelos mecanismos celulares.
Porém as quebras duplas complexas, separadas por poucos pares de bases são uma
das lesões mais toxicas e mutagénicas nas células humanas, uma única DSB tem
potencial para remover mais de 100 milhões de pares de base de informação genética.
O número de lesões no ADN geradas pela radiação é elevado, mas o número de células
que morrem devido as lesões é substancialmente mais reduzido. O número de lesões
induzidas no ADN por uma radiação de 1-2 Gy é aproximadamente de 1000 SSB e 40
DSB. Dados experimentais demonstram que as DSB induzida por radiações de baixo
LET são tipicamente mais facilmente reparadas que as DSB provocadas por radiações
de alto LET. Conhecimento relativo à interação e trajeto da radiação (track structure)
com a matéria tem vindo a ser utilizado para explicar as variações e diferentes
distribuições das lesões no ADN.
Existem múltiplos mecanismos enzimáticos de reparação do DNA nas células que
atuam em diferentes tipos de lesões. Para as lesões DBS, os principais mecanismos de
reparação são a recombinação homóloga (Homologous Recombination) e a
recombinação não homóloga (Non-Homologous End Joining, NHEJ) [37].A
recombinação homóloga requer que parte do ADN não esteja danificado para servir
como molde para síntese de novo ADN, é um mecanismo raro, sem erros e que
acontece essencialmente após a replicação, na fase final do estádio S e G2 do ciclo
celular. Inicia-se com a ligação de um complexo proteico nos locais das lesões. Ocorre
a síntese dos nuclídeos em falta, criando assim um complexo cruzado entre as cadeias
de ADN lesadas e normais, designado de junção de Holliday. A quebra da junção
Holliday garante a recombinação homóloga no final do mecanismo de reparação. Por
seu lado, a recombinação não homóloga provoca lesões pré-mutagénicas, podendo ser
letais no caso de aberrações em anel, dicêntrico ou ponte de anáfase ou não-letais se
forem pequenas deleções ou translocações simétricas. Este mecanismo opera na
ponta do fragmento de ADN, após a identificação por parte da proteína Ku70/Ku80 do
local da lesão, de seguida a proteína de reparação é ligada a DNA-PK, que promove
uma religação dos fragmentos. Este mecanismo ocorre essencialmente na fase final do
estádio G1 e fase S do ciclo celular.
A radiossensibilidade difere dentro do ciclo celular, em geral, a fase final do estádio S é
a mais radiorresistente, a fase G2 e M são as mais radiossensíveis, tomando a fase G1
um valor intermedio. A proporção favorável da reparação por HR em vez da NHEJ na
fase final de S pode explicar a sua maior radiorresistência, ver imagem 6.
Ilustração 6: Fração de células que sobrevivem a uma dose de 6.6 Gy de raio-X em função do tempo, A
sobrevivência celular cresce até um máximo na fase final do estádio S (Wang, 2000)
Existem mecanismos de reparação mais simples que são utilizados principalmente nas
quebras simples como o caso da reparação por excisão de bases (Base Excision Repair,
BER) que permite corrigir problemas em bases individuais através da produção de um
local AP (local apurínico ou apirimidínico), reparação por excisão de nuclídeos
(Nucleotide Excision Repair, NER) que corrige dímeros de timina através da remoção e
substituição de oligonuclídeos, com comprimentos entre 24 e 32 nucleótidos, por
reparação enzimática distinta do ADN. Este processo é a via primaria de remoção de
espécies reativas do oxigénio capazes de induzir ciclopurinas em células de mamíferos.
Por último existe ainda a reparação de erros de emparelhamento (Mismatch Repair,
MMR).
Dois modos de reparação BER têm sido observados em células procarióticas e
eucarióticas: a excisão e substituição de um único nucleótido, denominado BER de
curta substituição (Short-Patch BER – SP-BER), que ocorre na maioria dos casos; e a
remoção de fragmentos de 2 a 13 nucleótidos, denominado BER de longa duração
(Long-Patch BER – LP-BER). Segundo Dianov e colaboradores (2000), em células
humanas, as vias de reparação LP-BER e NER têm um papel relativamente minoritário
na reparação dos danos, sendo estes na sua maioria removidos pela via SP-BER.
Quando existem ou ocorrem danos irreparáveis no ADN, geralmente o próximo passo
é a apoptose, ou more celular programada, de forma a evitar, as consequências de
reparações altamente mutagénicas.
3.6 Curvas de Sobrevida
O procedimento padrão para medir a radiossensibilidade de uma população celular é a
retenção da sua integridade reprodutiva, isto é referido como a sobrevida celular e
percentagem de sobrevida após irradiação, assumindo que existe uma relação clara
entre a apoptose e o crescimento e a sobrevivência celular para um grande intervalo
de doses e níveis de sobrevivência.
O tipo de radiação influencia a forma da curva, sendo que radiações densamente
ionizantes apresentam curvas de sobrevida quase exponenciais face à dose absorvida,
enquanto radiações pouco ionizantes apresentam uma pequena diminuição inicial,
seguida de uma região denominada em ombro, mantendo-se quase e decréscimo
constante para altas doses, consultar imagem 7.
Ilustração 7: Curvas de sobrevida celular típica para radiação de alta LET e baixa LET: (a) Primeiro modelo e
(b) modelo atual (Tavares, 2009)
As curvas de sobrevida são melhor expressas em gráficos semilogarítmicos de
sobrevivência por dose irradiada, geralmente com doses de 1 a 10 Gy por célula. O
modelo mais utilizado na atualidade é o modelo linear-quadrático, usando um
polinómio de segunda ordem, utilizando as constantes α que representa a inclinação
inicial da curva e β a componente quadrática de morte celular para descrever o declive
da sobrevida (S) com o aumento da dose (D).
𝑆 = 𝑒−(𝛼𝐷+𝛽𝐷2)
A razão α/β fornece a dose para a qual os componentes quadráticos e lineares da
morte celular são iguais.
A taxa de sobrevivência celular é maior quando uma dose é administrada de forma
fracionada num período superior a 2 horas, comparado com uma única dose. Esta
variação é atribuída às reparações das lesões subletais entre frações. Em geral o
período de reparação de metade das lesões subletais varia entre 0.5 a 1 hora para
células em cultura podendo ser maior em tecidos. E a reparação completa pode
demorar entre 6 a 8 horas, podendo também ser mais moroso em tecidos.
O sucesso da reparação do dano depende da dose absorvida e do tempo de exposição,
existindo uma velocidade máxima de reparação observada quando a lesão atinge
níveis de saturação, análogo à cinética enzimática. A reparação é menos bem-sucedida
para irradiações de altas taxas de doses, apresentado maior sucesso para baixas taxas
de doses. O sucesso crescente da sobrevivência celular a baixas doses ou com doses
muito espaçadas no tempo e consistente com a importância dada ao tempo de
reparação das lesões subletais.
Outro efeito importante na sobrevida celular é o chamado efeito bystander, em que as
células próximas das células irradiadas, mas que não foram atingidas diretamente pela
radiação, exibem lesões similares aquelas observadas em células diretamente
atingidas pela radiação.
3.7 Sumário
Pretende-se, uma vez finalizada a leitura deste capítulo, que se compreenda e retenha
os conceitos básicos dos efeitos das interacções da radiação com as células e material
biológico, com particular importância para os mecanismos de reparação presentes nas
células eucarióticas.
Do capítulo verificou-se que os efeitos finais da radiação dependem do tipo de célula
em causa, bem como a fase do ciclo celular em que se encontra, pois sabe-se que uma
célula em estádio G1 é mais radioresistente do que a mesma célula em estádio M.
Por outro lado, a qualidade da radiação utilizada, influencia de forma drástica o tipo de
danos provocados no ADN da célula, quanto maior o LET da radiação, mais complexo e
difíceis de reparar vão ser os danos, garantindo assim que a célula inicia o seu processo
apoptótico.
Capítulo 4
Radioisótopos
para Terapia Paliativa
4.1 Introdução
A radiação ionizante pode ser utilizada para destruição das celulares carcinogénicas,
por via de métodos de irradiação externa com raios-X ou partículas de elevada energia
ou métodos de irradiação interna com recurso a técnicas de braquiterapia ou uso de
radiofármacos.
A radiação transmitida internamente a uma área específica ou a um órgão lesado será
tendencialmente mais seletiva que feixes de radiação externos. Contudo é importante
definir qual a quantidade certa de radiação a fornecer às células cancerosas alvo e ao
mesmo tempo definir qual a estratégia de administração mais eficiente e que evitará
lesar as células normais que rodeiam o tumor.
O primeiro caso de sucesso de métodos de irradiação interna de tumores com recurso
ao uso de radioisótopo foi o tratamento do cancro da tiroide com uso de iodo
radioativo. O Iodo-131 (131I), produzido num reator nuclear, é instável devido ao
elevado número de neutrões e emite radiação β e γ para alcançar a estabilidade. Para
além disso, quando injetado por via endovenosa ou administrado por via oral, o 131Iodeto de sódio, concentra-se preferencialmente na tiroide, glândulas salivares e
mucosas. Dado que a radiação β libertada pelo 131I é capaz de destruir as células
cancerosas e o 131Iodeto de sódio se localiza preferencialmente na tiroide, este
método de irradiação interna de tumores com recurso a radioisótopos tem sido
utilizado para tratamento do cancro da tiroide com elevado sucesso.
Existem outros isótopos utilizados com fiz terapêuticos ou de diagnóstico são captados
por áreas especificas do corpo, por exemplo, o Fosfato-32 e o Estrôncio-89
amplamente usados na terapia óssea e o Rádio-223 é um promissor agente para
tratamento ósseo.
Contudo, uma grande parte dos radioisótopos utilizados para radioterapia dirigida
necessitam de ser incorporados num composto químico, o qual será captado especifica
e seletivamente por um determinado tipo de recetor, transportador ou enzima na
célula alvo. Uma vez atingido o alvo, a radiação emitida pelo radioisótopo presente no
radiofármaco pode conduzir à morte celular.
4.2 Principais Características dos Radioisótopos
Para fins terapêuticos, a seleção do radionuclídeo adequado para uma aplicação
específica tem em consideração uma vasta gama de fatores, que incluem as
características físicas do radionuclídeo, principalmente o tipo e a energia da radiação
emitida e a sua meia-vida. Para além disso, é importante considerar o local de
deposição da energia do radionuclídeo, a localização anatómica da área a tratar, custos
e disponibilidade do radionuclídeo. A estratégia dos radiofármacos é depositar a maior
quantidade de energia possível num curto espaço de tempo nas células malignas, em
particular no ADN das mesmas, poupando as células saudáveis da radiação indesejável.
Na prática, radionuclídeos com emissão de partículas β-, bem como aqueles com
capacidade de captura eletrónica e emissão de eletrões Auger, são os únicos que tem
vindo a ser usados amplamente na terapia paliativa de metástases ósseas com
radiofármacos. As partículas β têm um poder de penetração nos tecidos na ordem dos
milímetros até alguns centímetros, sendo apropriadas para a irradiação de pequenos
tumores até tumores de tamanho médio. Alguns dos radionuclídeos promissores que
emitem partículas β-, terem valores de meia-vida adequados à radioterapia de
metástases ósseas, variando de algumas horas até dias. Para além disso, estes
radionuclídeos frequentemente decaem originando num nuclídeo filho estável. Por
ultimo, muitos destes radionuclídeos são facilmente produzidos. Ver tabela 3.
Nuclídeo Semi-vida física (dias)
Tipo de decaimento
Energia média (MeV)
Energia emissão γ
(MeV)
Penetração no tecido
(mm) 90Y 2.67 β- 2.28 0 2.7
188Re 17.0 β- 2.12 0.155 (15%) 2.4 166Ho 26.8 β- 1.85 0.81 (6.33%) 8.6
32P 14.3 β- 1.71 0 8.0 89Sr 50.5 β- 1.49 0 6.7
186Re 3.77 β- 1.08 0.137 (9%) 4.7 153Sm 1.95 β- 0.81 0.103 (29%) 3.4
131I 8.04 β- 0.61 0.364 (81%) 0.8 67Cu 2.58 β- 0.57 0.184 (48%) 0.05-2.1 177Lu 6.7 β- 0.497 0.113 (6.4%) 0.04-1.8
170Tm 1.10 β- 0.96 0.027 (2.83%) 117mSn 13.6 β- 0.16 0.158 (87%) 0.3 223Ra 11.43 α 5.97 0.118 (1.97%) 0.1
125I 60.3 EC 0.4 (Auger e-) 3.98 (6.6%) 10 nm Tabela 3: Exemplos de radioisótopos com potencial aplicabilidade em radioterapia e as suas características.
Legenda: EC - Captura eletrónica, β- - emissão de partículas beta menos, α – emissão de partículas alfa (adaptado de Volkert (1999));
4.2.1 Fósforo-32
O Fósforo-32 (32P) decai por emissão β- para Enxofre-32 no estado fundamental, com
um tempo de semi-vida de 14.28 dias e uma energia total de 1710.66 KeV. Este
radioisótopo apresenta um poder de penetração medio de 3mm nos tecidos e de
1.7mm no osso, atingindo um máximo de 8.5m. È obtido através da irradiação do
Enxofre-32 com neutrinos de alta velocidade, apresentando assim um baixo custo de
produção, consultar tabela 4.
Emissão Energia Média (KeV) Intensidade (%) β0,0 695.5 100.0
Tabela 4: Tabela de decaimento do Fósforo-32
4.2.2 Estrôncio-89
O Estrôncio-89 (89Sr) decai principalmente por emissão β- para Ítrio-89 no estado
fundamental e uma pequena fração de 0.0096% decai para o Ítrio-89 isomérico com
subsequente decaimento para Ítrio-89 via raios γ de 909 KeV. O [89Sr] tem um valor de
semi-vida de 50.57 dias e uma energia de decaimento de 1495,1 KeV, com um poder
de penetração de 2.4mm nos tecidos moles e um poder efetivo de 5 a 6mm. Este
radioisótopo é preparado a partir do Estrôncio-82 num reator com alto fluxo de
neutrões, consultar tabela 5.
Emissão Energia Média (KeV) Intensidade (%) β0,0 584.6 99.9903 β0,1 189.1 0.0096 ɣ0,0 909.0 0.0095
Tabela 5: Tabela de decaimento do Estrôncio-89
4.2.3 Ítrio-90
O Ítrio-90 (90Y) decai maioritariamente por emissão β- para o estado fundamental do
Zircónio-90 e para um nível excitado a 1760 KeV com uma probabilidade de 0.017%. O
[90Y] tem um valor de semi-vida de 2.668 dias e uma energia total de decaimento β- de
2279.8 KeV. Com um poder de penetração de 4mm no tecido ósseo, fazem dele ideal
para aplicações terapêuticas, consultar tabela 6.
Emissão Energia Média (KeV) Intensidade (%) CE-K 768.7 0.003 β0,1 163.7 0.017 β0,0 926.7 99.98
Tabela 6: Tabela dos principais decaimentos do Ítrio-90
4.2.4 Estanho-117m
O Estanho-117m (117mSn) decai por transformação isomérica com emissão de fotões
gama para o Estanho-117 estável. Tendo um tempo de semi-vida 13,6 dias e uma
energia de fotões gama de 158,6 KeV e emite eletrões de baixa energia, com
penetração efetiva medida em micrómetros, consultar tabela 7.
Os eletrões de baixa energia são emitidos através de conversão eletrónica entre
camadas, com especial interesse os produzidos pela camada K e L.
Emissão Energia Média (KeV) Intensidade (%) Auger-L 3.0 91.0 Auger-K 21.0 10.8
CE-K1 126.8 64.8 CE-K2 129.4 11.7 CE-L1 151.9 26.1 CE-L2 154.1 1.5 CE-M1 155.1 5.6
Fotões Gama 158.6 86.4 Tabela 7: Tabela dos principais decaimentos do Estanho-117
4.2.5 Samário-153
O Samário-153 (153Sm) desintegra-se via 3 ramos principais e pelo menos mais 10
ramos fracos de emissões β- para Európio-153. O [153Sm] tem um tempo de semi-vida
de 1.92849 dias e uma energia de 808,2 KeV.
A emissão β- média do Samário-153 é de 0.233 MeV, com penetração média no tecido
mole de 0.5mm e uma penetração efetiva de 2 a 3 mm. O (153Sm) também liberta
radiação γ, 29% da sua energia total com um valor de 0.1 MeV, permitindo assim a
realização de uma cintilografia do radionuclídeo administrado. O Samário-153 é
produzido num reator nuclear através do bombardeamento com neutrinos do
Samário-152.
Este radioisótopo tem uma a tabela de decaimentos extremamente complexa,
podendo decair por emissão de eletrões Auger, captura eletrónica, emissão β-, fotões
gama, de diversos níveis de energia, dos quais se destacam os presentes na tabela 8.
Emissão Energia Média (KeV) Intensidade (%) Auger-L 3.4 – 7.8 53.0 CE-K5,3 21.154 20.5 CE-K3,0 54.66 41.4
β0,5 199.7 30.4 β0,3 225.3 49.2 β0,0 264.3 19.5 ɣ3,0 103.2 29.2
Tabela 8: Tabela dos principais decaimentos do Samário-153
4.2.6 Hólmio-166
O Hólmio-166 (166Ho) decai por emissão β- para níveis excitados do Érbio-166, com um
valor de energia de decaimento total de 1854.5 KeV e um tempo de semi-vida de
26.795 dias. Apresenta um elevado poder de penetração na ordem dos 8 mm. O
Hólmio tal como o Samário decai com emissão de um largo espectro de partículas, os
principais decaimentos do Hólmio podem ser consultados na tabela 9.
Emissão Energia Média (KeV) Intensidade (%) Auger-L 3.9 – 7.6 28.0 CE-L1,0 70.82 – 72,2 20.5
β0,1 651.1 50.5 β0,0 693.8 48.2
Tabela 9: Tabela dos principais decaimentos do Hólmio-166
4.2.7 Túlio-170
O Túlio-170 (170Tm) desintegra-se tanto por decaimento β-, para um nível excitado
intermédio de 84.25 KeV (18.3%) com subsequente decaimento para o estado
fundamental do elemento Itérbio-170 (Yb-170), como por decaimento β- diretamente
para o estado fundamental do elemento Yb-170 (81%). Para além disso, o 170Tm pode
também decair por captura eletrónica para um nível excitado intermédio de 78.6 KeV
(0.03%) com subsequente decaimento para o estado fundamental do Érbio-170 (Er-
170) ou diretamente para o estado fundamental (0.12%) do Er-170.Com um tempo de
semi-vida de 127.8 dias e uma energia total de emissão β- de 968 Kev e de captura
eletrónica de 314,4 KeV e emissão γ suficiente para imagiologia, ver tabela 10.
Emissão Energia Média (KeV) Intensidade (%) CE-L1,0 73.77 – 75.31 9.4
β0,1 290.5 18.3 β0,0 323.1 81.6
Tabela 10: Tabela dos principais decaimentos do Túlio-170
4.2.8 Lutécio-177
O Lutécio-177 (177Lu) desintegra-se por emissão β- para o estado fundamental e três
estados excitados do Háfnio-177 (Hf-177), com um valor de meia-vida de 6.647 dias e
energia de emissão de 498.3 KeV, também tem emissão γ suficiente para a produção
de imagem médica, ver tabela 11.
Emissão Energia Média (KeV) Intensidade (%) Auger-L 4.3 – 11.2 8.75 CE-L1,0 101.67 6.84
β0,3 47.66 11.64 β0,1 111.7 9.1 β0,0 149.4 79.3 ɣ3,1 208.36 10.38
Tabela 11: Tabela dos principais decaimentos do Lutécio-177
4.2.9 Rénio-186
O Rénio-186 (186Re) decai por emissão β- principalmente para o estado fundamental e
excitado a 137 KeV do Ósmio-186 e por captura eletrónica para o Tungsténio-186. O
(186Re) tem uma semi-vida de 3,7186 dias e uma energia de decaimento β- de 1069.5
KeV e de captura eletrónica de 581,6 KeV [38]. Sendo um emissor β com energia média
de 0.349 MeV e uma penetração média nos tecidos moles de 1.1mm e um máximo de
4.5mm. Também emite uma pequena componente de radiação γ (9%, 0.137 MeV),
permitindo assim uma imagem da pós-administração da biodistribuição, consultar
tabela 12.
Emissão Energia Média (KeV) Intensidade (%) Auger-L 4.7 – 12.9 6.43 CE-T1,0 63.3 – 137.11 12.15
β0,1 306.7 21.5 β0,0 359.6 70.9
Tabela 12: Tabela dos principais decaimentos do Rénio-186
4.2.10 Rénio-188
O Rénio-188 (188Re) decai por emissão β- para diferentes estados do Ósmio-188, dos
quais 71.1% decai diretamente para o estado fundamental. O (188Re) tem uma semi-
vida de 17,005 dias e uma energia de 2120,4 KeV [38]. Este radioisótopo apresenta
uma penetração média de 3 mm nos tecidos moles e máxima de 10 mm. O valor
elevado de energia de emissão β tem potencial para provocar danos letais nas células
tumorais na região de decaimento, ver tabela 13.
Emissão Energia Máxima (KeV) Intensidade (%) β0,0 2120.4 71.1% β0,1 1965.4 25.6%
Fotões Gama 155 15% Tabela 13: Tabela dos principais decaimentos do Rénio-188
4.2.11 Rádio-223
O Rádio-223 (223Ra) decai por emissão de partículas α para níveis excitados do Radão-
219. O (223Ra) apresenta uma semi-vida de 11,43 dias e uma energia de emissão α de
5978,99 KeV. Apresenta um poder de penetração inferior a 0.1mm nos tecidos, e
fotões gama que possibilitam a realização de imagem médica. Os principais
decaimentos do Rádio-223 podem ser consultados na tabela 14.
Emissão Energia Média (KeV) Intensidade (%) α0,6 5539.43 10.6 α0,5 5606.95 25.8 α0,4 5715.81 45.6 α0,3 5747.14 10.0
Auger-L 5.66 – 17.95 30.1 CE-T4,2 51.5 – 54.9 15.42 CE-K4,1 55.81 18.0 CE-T4,1 55.811 – 154.165 22.4 CE-T5,0 171.066 – 269.420 11.23
Tabela 14: Tabela dos principais decaimentos do Radio-223
4.3 Sumário
Neste quarto capítulo foram explicados os conceitos básicos associados ao uso de
radioisótopos na área terapêutica, sendo de salientar as características físicas de cada
candidato.
Sabendo que um radioisótopo emissor de partículas β, partículas α ou eletrões Auger
apresentam elevado potencial terapêutico, quando a ele esta associado um período de
semi-vida física adequado e um nuclídeo-filho estável, com possibilidade de ser
captado pelo tecido ósseo de uma forma direta ou através da ligação a outro agente
químico.
Capítulo 5
Simuladores em Radiobiologia
5.1 Introdução
Um passo essencial sobre a eficiência da terapia com radioisótopos é a análise dos
efeitos provocados por este no material biológico em estudo. Uma forma muito
apetecível de realizar estudos e ensaios na área é através do recurso a simuladores,
onde se utilizam código Monte Carlo para descrever o transporte e interacção de
energia com um meio descrito por diversos parâmetros extrapolados de ensaios in
vitro e in vivo.
A principal vantagem da utilização destes simuladores é a sua versatilidade e a
capacidade de em intervalos reduzidos de tempo, obter informação, que de outro
qualquer modo demoraria largos meses ou mesmo anos.
Para o desenvolvimento destes ensaios foram escolhidos os seguintes simuladores
Monte Carlo Damage Simutaion, que simula as lesões provocadas pela radiação, o
Monte Carlo Excision Repair, que simula os mecanismos de reparação e por último o
Virtual Cell, que simula todo o processo de interacção entre a radiação e o tecido alvo.
5.2 Simuladores
Os simuladores computacionais de radiobiologia celular são desde há algum tempo
uma fonte útil de informação sobre o potencial efeito terapêutico de diferentes
agentes irradiantes, entre eles, os radiofármacos utilizados em metástases ósseas,
sendo de crucial importância no campo da radioterapia molecular e projeção de
tratamentos.
Um dos primeiros simuladores dos efeitos da radiação desenvolvido foi o simulador
Monte Carlo. Segundo a história, decorria o ano de 1945 quando apareceu um modelo
matemático notável e que ainda hoje é amplamente aplicado em diversas áreas da
ciência.
O método Monte Carlo é um conjunto de técnicas estocásticas baseadas em números
aleatórios e probabilidades estatísticas para investigar problemas científicos, ode o seu
uso possibilita analisar sistemas complexos, como o caso da radiobiologia celular, que
de outro modo não seriam possíveis de estudar, pois descrever a interação de um par
de átomos é relativamente elementar, contudo, resolver as mesmas equações para
centenas ou milhares de átomos é impensável. Com o método Monte Carlo um
sistema complexo pode ser amostrado em números de configurações aleatórias e a
informação recolhida pode ser utilizada para descrever o sistema como um todo,
(Woller 1996).
Como já foi referido, atualmente os métodos Monte Carlos aplicados nos simuladores
dos efeitos da radiação possibilitam o planeamento, o estudo das interações entre a
radiação e a matéria, entre outros.
Porém, algumas desvantagens têm sido apontadas a este simulador, entre as quais a
sua exigência computacional. Assim, comparativamente ao algoritmo Monte Carlo,
computacionalmente mais complexo e detalhado, o algoritmo de Monte Carlo rápido
(MCDS) utilizado como ferramenta base para esta Dissertação, apresenta uma boa
correlação para a maioria dos espectros de danos radioinduzidos do ADN, o que sugere
que a distribuição espacial de danos elementares do ADN é determinada
primariamente por eventos independentes estocásticos.
A sua rapidez face ao Monte Carlo, em termos de processamento de informação,
possibilita a simulação de um cenário de 100000 células a 1 Gy de radiação em 1.5
minutos num Intel Pentium III Xeon a 2.4 GHz, necessitando de uma memoria de 1.3
megabytes, (Semenenko e Stewart 2004).
Contrariamente a este simulador MCDS, o algoritmo CELLDOSE Monte Carlo para
avaliar os efeitos da radiação em esferas de agua isoladas, necessita de algumas horas
num Pentium 4-EM64T a 3 GHz com 1 Gb de memoria RAM, (Champion 2008).
Em contraste o simulador de radiobiologia a usar (VC – Virtual Cell) fornece
informações sobre sobrevida celular, probabilidade de controlo tumoral, indução a
mutagénese entre outros em apenas alguns minutos.
Existem outros códigos baseados em código Monte Carlo para o estudo dos efeitos da
radiação no ADN, como o GEANT4-DNA, PENELOPE (PENetration and Energy LOss os
Positrons and Electrons), consultar tabela X.
5.3 Vantagens e Desvantagens
Uma das principais vantagens destes simuladores é a sua versatilidade e a capacidade
de em intervalos de tempo reduzidos, por vezes de poucos minutos, obter informação,
de que qualquer outro modo demoraria longos períodos de tempo e exigiriam grande
disponibilidade de recursos e capacidades. Por exemplo, as culturas de células, de
grande utilidade, possibilitam o conhecimento do comportamento e função de uma
população isolada de células, bem como, o estudo de fenómenos impossíveis de
produzir em tecidos intatos, possuem várias características desvantajosas e limitantes,
entre as quais se realçam: gastos elevados em material; dependência das condições de
crescimento da cultura; instabilidade da cultura celular e perda de características de
fenótipo; entre outras.
Em relação às culturas de células, os simuladores computacionais possuem algumas
vantagens; nomeadamente, o facto de permitirem obter informação de uma forma
mais rápida e flexível, possibilitando assim a cobertura de múltiplos parâmetros do
cenário de irradiação em causa num curto ciclo de tempo; não existem as limitações
impostas pela cinética das culturas, isto é, instabilidade, risco de contaminação que
inviabiliza a utilização dos resultados e força os investigadores a repetir todo o
processo; e o custo associado a simulação do processo é largamente inferior, existindo
mesmo simuladores para investigação na área de domínio publico.
Por outro lado, os simuladores também possuem desvantagens, tais como avaliações
estimadas em resultados experimentais prévios e conhecimentos atuais o por
interpolação destes dados, que pode não ser efetivamente verdadeiro no organismo
vivo; e a modelização da cinética celular de forma mecanista, que pode subvalorizar ou
sobrevalorizar certos parâmetros e resultados, por último os simuladores são limitados
a uma gama de entradas de cada parâmetro que nem sempre cobre todos os valores
necessários para os diversos estudos bem como a exigência computacional de alguns
simuladores mais detalhados.
5.4 Monte Carlo Damage Simulation – MCDS
Como referido nos modelos de trilhos estruturais, radiações de baixa LET conduzem à
formação de aproximadamente 1000 quebras simples (SSB) e 40 quebras duplas (DSB)
por gray (GY) numa célula de mamífero típica. O nível de danos provocados e bases é
estimado em 2500 para 25000/Gy/célula e, para além dos danos isolados, a radiação
ionizante tem a capacidade de produzir também múltiplos locais de danos (Multiply
Damage Sites - MDS), que consistem em dois ou mais danos elementares num curto
espaço de hélices enroladas em torno do ADN. As quebras isoladas ou múltiplas em
cada cadeia de ADN são detetadas como SSB na maioria dos ensaios. Por outro lado,
DSB são formadas quando pelo menos duas quebras do ADN se formam em
proximidade nas cadeias opostas do ADN. As DSB e outras classes de MDS são,
geralmente, as causas primárias de indução de apoptose por radiação ou mutagénese.
Informação detalhada sobre o espectro de possíveis configurações de danos induzidos
pela radiação ionizante é frequentemente obtida pelo uso de simuladores de trilos
estruturais Monte Carlo em combinação com modelos geométricos do ADN e da
Cromatina.
O simulador de danos Monte Carlo (MCDS), é um método simplitas e rápido para a
produção do espectro de danos no ADN que apresenta apenas quatro parâmetros
ajustáveis, dois dos quais podem ser restringidos a um intervalo de valores razoáveis
com base em resultados experimentais, (Semenenko e Stewart 2004).
Sendo estes parâmetros: número de quebras/Gy/célula (σSb), número de danos a bases
do ADN/Gy/célula (σBd), comprimento do segmento de ADN medido em pares de bases
(bp)/Gy/célula (nseg) e comprimento mínimo de ADN não danificado entre danos
elementares entre segmentos vizinhos medido em pares de bases (Nmin). O algoritmo
do simulador processa-se em duas fases: 1) distribuição aleatória no segmento de ADN
(parâmetro nseg) do número esperado de danos elementares produzidos numa célula
por uma determinada quantidade e qualidade de radiação e 2) subdivisão da
distribuição de danos elementares no segmento em lesões, sendo aqui determinante o
parâmetro Nmin, consultar figura 8.
Ilustração 8: Representação esquemática do simulador MCDS
O algoritmo do simulador MCDS pode ser descrito pelos seguintes passos:
A primeira fase, distribuição aleatória dos danos do ADN é composta por 5 passos:
1. Computação dos parâmetros para uma específica dose absorvida D (Gy). O
comprimento do segmento por célula é dado por:
𝑁𝑠𝑒𝑔 = 𝑔𝑛𝑠𝑒𝑔𝐷;
Já o número total de quebras por célula é dado por:
𝑆𝑏 = 𝑔𝜎𝑆𝑏𝐷;
Sendo g um fator de escala adimensional que pode ser utilizado para ajustar o
rendimento absoluto das lesões de ADN para melhor mimetizar as
observações experimentais para cada tipo de célula. Quando o tipo de célula é
desconhecido, o valor de g deve ser unitário. Este valor para células
eucarióticas pode ser aproximado a razão entre o conteúdo de ADN da célula
em estudo com o conteúdo da célula de mamíferos (6x109 bp).
O número de danos de base/célula pode ser calculado através do número de
quebras por célula pela equação:
𝐵𝑑 = 𝑓 𝑆𝑏.
•Número de quebras/Gy/célula (σSb)
•Número de danos debases/Gy/célula (σBd)
• Comprimento do segmento de ADN (nseg)
•Comprimento mínimo do segmento não danificado (Nmin)
Parâmetros Inicias
•Distribuição aleatoria dos danos no ADN
1ª Fase
•Subdivisão dos danos em lesões
2ª Fase
2. Seleção aleatória de um par de nucleótidos a partir do segmento de ADN, ou
seja, seleção de um integral distribuído de forma uniforme no intervalo [1,
Nseg].
3. Seleção aleatória da cadeia de ADN (cadeia 1 ou 2). Caso o nucleótido
selecionado não seja danificado, procede-se ao registo da quebra na
localização, caso contrário retorna-se ao passo 2.
4. Criação de um relógio
𝑆𝑏 = 𝑆𝑏 − 1;
𝑆𝑒 𝑆𝑏 > 0 , 𝑟𝑒𝑡𝑜𝑟𝑛𝑎𝑟 𝑎𝑜 𝑝𝑎𝑠𝑠𝑜 2.
5. Repetição dos passos 2 a 5 para os danos nas bases.
Na segunda fase do algoritmo, subdivisão dos danos em lesões, Nmin é o parâmero que
determina a forma de agrupamento dos danos elementares em lesões, segundo a
propriedade de que danos separados por pelo menos Nmin pares de bases são tratados
como lesões diferentes, consultar figura 9.
Ilustração 9: Representação esquemática do processo de agrupamento de danos em lesões (Semenenko e
Stewart 2004)
O algoritmo da segunda fase é descrito nos seguintes quatro passos:
1. Iniciar a contagem no fim o segmento de ADN e localizar o primeiro dano
elementar em cada uma das cadeias de ADN o em ambas. Iniciar a lesão do
ADN aquando da localização do dano elementar ou dos diversos danos
elementares.
2. Começando no par de base apos o ultimo dano elementar identificado,
proceder à movimentação ao longo do segmento de ADN, na mesma direção e
contar o número de pares de bases não danificadas antes do próximo dano
elementar detetado. Caso o fim do segmento seja atingido antes de se
encontrar outro dano elementar, considerar a lesão do ADN na localização do
último dano detetado e finalizar o processo.
3. Caso o número de pares de base não danificadas for ≥Nmin registar o fim da
poção da lesão na última localização de dano elementar detetado. De seguida
registar a posição de início da próxima lesão na localização do ultimo dano
elementar desta.
4. Retornar o passo 2.
Uma vez concluído o processo de agrupamento dos danos elementares do ADN em
lesões, estas podem ser analisadas em termos de natureza de distribuição espacial dos
danos elementares que as formam, (Semenenko e Stewart 2004).
O estudo realizado por Semenko e Stewart em 2004 onde comparam o desempenho
deste simulador com outros aceites pela comunidade cientifica mostram resultados
muito semelhantes em todas as gamas de radiações utilizadas, tornando este
simulador muito útil devido a sua simplicidade e rapidez a juntar a sua eficiência nos
resultados, consultar imagem 10.
Ilustração 10: Comparação do espectro de danos obtido com o método de Monte Carlo rápido e detalhado
(Semenenko e Stewart 2004)
5.4.1 Informação de Entrada e Saída
O simulador MCDS consiste num algoritmo simplificado do código Monte Carlo re-
parametrizado de forma a fornecer informação (outputs) sobre o rendimento das
lesões no ADN (DSB, SSB e locais de múltiplos danos de bases) após simulação com
eletrões, protões e partículas alfa de diferentes radioisótopos. Os ficheiros de saída
fornecem informação sobre as características de várias classes de danos do ADN,
incluindo o número médio de lesões por conjunto de danos do ADN e comprimento
medio do conjunto de danos em pares de bases (bp).
Para a realização da simulação basta intro