Radioprotección

TRABAJOS DE REYISION DEPARTAMENTO DE QUIMICA ORGANICA FACULTAD DE FARMACIA RADIOPROTECCION SAENZ DE BURUAGA LERENA, J. Los efectos de las radiaciones han preocupado desde hace bastantes años a investigadores y científicos debido a sus efec tos nocivos. Para poder aminorar los daños causados por ellas, había que conocer primero la causa de dicha toxicidad para bus car después la protección contra las mismas. En un principio se creyó que los efectos de las radiaciones eran enteramente debidos a la acción directa, es decir, a la ab sorción de la energía de las mismas por las focos sensitivos de las células y en consecuencia el único recurso que podía em plearse para prevenir sus efectos era el empleo de materiales absorbentes entre el origen de la radiación y las células, tales como láminas de plomo. Sin embargo, como los efectos produ cidos por las radiaciones sobre los sistemas moleculares en di solución eran desproporcionados en relación con la energía co municada al sistema y mayor aún cuando se trataba de células vivas, hubo que pensar en otros motivos a más de los cambios energéticos ya señalados. Se pensó que una de las causas podría ser las ionizaciones producidas. A confirmar ésta hipótesis vino el hecho de que va rios físico-químicos habían demostrado que al irradiar agua con radiaciones roentgen o gamma, se formaba agua oxigenada, lo que indicaba que el efecto primario de las radiaciones era io nizar, induciendo excitaciones. Considerando la elevada propor ción de agua presente en los seres vivos, era lógico pensar que el sujeto primario de la excitación inducida por la irradiación fuera el agua. Ars Pharmaceutica. Tomo XIV. Núm, Unico. 1973. 78 J, SAENZ DE BURUAGA LERENA Hoy es totalmente admitido este hecho y demostrado que el efecto de las radiaciones sobre el agua es la formación de ra dicales libres. De igual modo, el resultado de la irradiación de moléculas orgánicas pequeñas, puede ser también la ionización y consi guiente ruptura con formación de fragmentos de mayor o menor reactividad según ha demostrado SWALLOW (1) para alcoholes, aminoácidos y compuestos sulfurados. Sin embargo, el rendi miento de estas reacciones en relación con la intensidad de la radiación es, aún incluyendo los efectos secundarios de los radi cales libres, en general pequeño. Por ello se sugirió la teoría de que la captación de energía no se realiza de manera errática, sino que de acuerdo con la "teoría del blanco" ("Target Theo ry"), que fue propuesta en 1923 por DESSAUER (2), desarrollada posteriormente por CROWTHER y col. (3) y completada por LEA (4) Y LETARGET (5), la localización se hace preferentemente en mo Iéculas o regiones moleculares claves. También se han señalado como otros fenómenos secunda rios, la formación de sustancias fuertemente tóxicas y la des organización de orgánulos y membranas celulares con libera ción de enzimas, que producen la destrucción de otros compo nentes celulares. Por todo ello, hoy día es admitido que la acción de los ra yos ionizantes es debido a la absorción de la energía de radia ción por las partículas de los tejidos vivientes, la cual se mani fiesta por vía directa en un fenómeno de potencialización física, lo que provoca modificaciones moleculares que se traducen en fragmentación de cromosomas, destrucción de membranas, des polimerización de polímeros, etc., entre otros efectos. La acción indirecta, se manifiesta por medio de las partículas excitadas del agua, lo que provoca propiedades oxidantes partiCUlarmente fuertes, las que provocan en una segunda fase, la aparición de productos de oxidación de proteinas, de ácidos nucléicos, de po lisacáridos y sobre todo de lípidos. Esta reacción de oxidación en cadena conduce a una amplificación notable (del orden del décuplo) del efecto inicial de las radiaciones, por lo que puede considerarse como una potencialización química. El hecho es que ésta energía de ionización, sea directa o in directamente, produce cambios físico-químicos de la bioestruc- ARS PHARl\IIACEUTICA 79 tura celular, lo que supone perturbaciones metabólicas que a menos corto plazo se manifiestan en efectos genéticos o somáti cos diferentes e incluso en muchos casos la muerte del orga nismo. Prot.9cción.-Respecto a la protección contra las radiaciones ionizan tes por medios químícos podemos considerar los orígenes en los trabajos de FRICKE (6), que en el año 1938 indicó que las radiaciones destructoras sobre un compuesto en solución podían ser atenuadas por la presencia de otros compuestos y basándose en estas observaciones BACQ (7) llegó a la conclusión de que si el agua oxigenada participaba en el mecanismo de acción de las radiaciones ionizantes sobre el agua, mediante el tratamiento de los animales de experimentación con cianuro -conocido in hibidor de catalasas y peroxidasaspodía ser modificado el efecto de estas radiaciones. Así observó que únicamente sobrevi vían un porcentaje bastante alto de animales (del 50 al 80%) de los tratados con CNNa antes de la irradiación. En el año 1950, MOLE (8) comunica el débil efecto protector de la tiourea contra las radiaciones y según comprobaron DALE, DAVIES y MEREDITH (9), esta sustancia disminuye in vitro el efec to de los rayos roentgen sobre la carbopeptidasa en solución acuosa, mientras que se halle presente durante la irradiación. BARROW (10) indica que los enzimas o sistemas enzimáticos con grupos tioles son mucho más sensibles a las radiaciones que las que carecen de él y llega a la conclusión de que mediante la adicción de cisteina en exceso se podrian activar de nuevo estas enzimas inactivadas in vitro. PATT (11) partiendo de las obser vaciones anteriores observó que la inyección intravenosa de una elevada dosis de cisteina debilitaba en las ratas el efecto letal de una irradiación siempre que se administrase algunos minu tos antes de iniciarse la irradiación. Durante estos últimos veinticinco años han sido muchas las sustancias que se han ensayado como protectoras químicas, per tenecientes a grupos químicos que a primera vista no muestran relación lógica entre sí. SIEGLER y MOYER (12) recogen una cla sific ¡:t ción de E. E. Schwartz en la que divide a estas sustancias en d ? s grandes grupos: 80 J. SAENZ DE BURUAGA LERENA l.-Agentes radioprotectores cuya acción es debida a la pri vación de oxígeno. En ella figuran sustancias tan variadas co mo vasoconstrictores, p. e., epinefrina, serotonina, etc., vasodi latadores, del tipo de la acetil-,B-metilcolina, depresores del SNC, tal como morfina y pentobarbital, alteradores de hemoglobina, como la p-aminopropiofenona e incluso la hibernación. 2.-Compuestos sulfhidricos. Es el grupo más amplio y figu ran sustancias que van desde la cisteína y cisteamina, el Glu tation, S-(2-aminoetil)-tiourea hasta derivados azufrados muy complejos, como veremos más adelante. Los del primer grupo están justificados porque según uno de los principios más importantes de la radiobiologia general, la intensidad de los efectos de la irradiación dependen en gran parte de la tensión parcial de oxígeno del sistema irradiado. Hace bastantes años se sabe que la velocidad de oxidación de Fe2+ a Fe3+ por los rayos X es doble en presencia de oxígeno que en ausencia de él. Esta misma sensibilidad se observa en todo género de estructuras biológicas, es decir tanto en los ma miferos y en los vegetales como en las bacterias. Se ha querida ver la explicación en el hecho de que el oxígeno acelera las múl tiples reacciones metabólicas, con lo que aumenta la efectivi dad de la radiación. Sin embargo, hoy se admite que por lo me nos buena parte de los resultados se deben a la formación del radical H02, que posee una notoria actividad mutágena. El hecho es que todas aquellas sustancias químicas que dis minuyen el contenido en oxígeno o las moléculas capaces de captar este elemento, fijándolo en una forma no agresiva, in crementan la protección. Respecto a los del segundo grupo, ya hemos indicado que fueron los que primeramente se usaron. Ya en el año 1947 DALE (13) demostró su protección en enzimas in vitro y posteriormen te BACQ (14) llegó a la conclusión de que la cisteamina tenía un factor de reducción de dosis -FDR*- entre 1,8 y 2 en el ratón y de 4 a 12 en ciertos microorganismos, como en el E. coli. Este mismo autor ensayando una serie de sustancias llegó a la con clusión de que una estructura química con una cadena recta de dos o tres átomos de carbono, con un grupo sulfhidrilo en un * Se entiende por FDR la relación entre la dosis de radiación que pro duce el mismo efecto con o sin materia protectora. ARS PHARMACEUTICA 81 extremo Y un radical intesamente básico (amino o guanidino) en el otro, favorece la acción protectora. Las acciones de estos compuestos se basaron en un princi pio en que actuaban como protectores a consecuencia de una anoxia, ya que invitro se oxidan, lo que pudiera hacer disminuir la tensión parcial de oxígeno, reduciendo los efectos de las ra diaciones. Así MARKOVICH (15) indica que el efecto protector des aparece si se hace burbujear aire a través del líquido. Sin em bargo HOLLAENDER (16) indica que el FDR sobre E. coli en pre sencia de cisteamina es de 4 a 12 y, por tanto, superior al valor 3 obtenido por eliminación completa del oxígeno. Posteriormen te BACQ en Lieja y los científicos del Instituto Boris Kidritch de Belgrado confirmaron estos hechos cuando realizaron las expe riencias en condiciones totalmente anaerobias. De todo ello se llegó a la conclusión de que cuando se em plean radioprotectores conteniendo azufre, el grado de protec ción no va paralelo a la intensidad de la anoxia. Así la f3-mer captoetilamina y algunos de sus disulfuros protegen a bacterias o a células aisladas en presencia o en ausencia de oxígeno, tal como sucede con el bacteriófago T], según HOTZ (17) o con la ti mina en solución acuosa, según LATARJET y col. (18). En mamí feros intactos la pro.tección por inyección de MEA o AET es in dependiente de la presión de oxígeno de los tejidos. Así JAMIESON y VAN DEN BRENK (19) demostraron que en la mucosa gastroin testinal de la rata la acción es la misma en los controles que en los lotes en los que varia la concentración de oxígeno cuando Son tratados con cistamina, cisteamina o AET. Mecanismo dse acción.-Como posibles mecanismos de ac ción de las sustancias radioprotectoras se han dado varios, me reciendo la mayor atención aquellos que pueden actuar por opo nerse a la potencialización física, química o bioquímica que aquellas producen. Así contra la potencialización física ya fue sugerida en 1957 por ELDJARN y PIEL (20), bioquímicos noruegos, al demostrar que las cisteaminas y en general los radio protectores con grupos -SH y sustancias S-S, forman rápidamentf disulfuros mixtos Con proteinas o péptidos según el esquem.· ; 82 J. SAENZ DE BURUAGA LERENA R-SH + Prot-SS-Prot --- . R-S-S-Prot + Prot-SH R-S-S-R + Prot-SH R-S-S-Prot + R-SH • siendo estos derivados mixtos más radiorresistentes a las ra diaciones que las moléculas iniciales. Existe, sin embargo, el inconveniente de que se conocen al gunas sustancias, tal como la cistina, que a pesar de formar disulfuros mixtos, no protegen contra las radiaciones y por otra parte, la cisteamina y la cistamina protegen tanto in vivo como in vitro a moléculas o polímeros que no contienen átomos de azufre. Por lo tanto esta teoría resulta insuficiente y es dI fícil precisar que parte le corresponde en el verdadero mecanis mo definitivo del efecto radioprotector. La protección a la potencialización química, no por la inhi bición de la producción sino por la inactivación de los radicales libres por los compuestos sulfhídrilos, tales como tioles, tioamÍ nas, tiocarbamatos, etc., se ha explicado debido a que tales sus tancias actúan como "barredores" (scavenging) de los radica les libres, bien del tipo HO y H02 o del tipo R, impidiendo que los primeros llegasen a los puntos radiosensibles ya que antes serían "neutralizados" y que los segundos recuperarían el esta do anterior a la radiación, según el esquema: que fue propuesto por Alexander y col. (21) y que fue compro bado por SMALLER (22) en levaduras, por ORMEROD y ALEXANDElt (23) en esperma de peces y por BAKER y col. (24) en bacterias, utilizando para su demostración la R. M. N. Sin embargo, todos estos trabajos tienen el inconveniente de que utilizan en sus trabajos concentraciones al 5%. de MEA y esta dosis es tóxica para muchos mamíferos y por otro lado que en otros sistemas como la timina en solución acuosa, para una completa protec ción hacen falta de 5 a 10 moléculas de cistamina por una de timina. El mecanismo de protección contra la potencialización bio química se ha querido justificar bien por la ejercida a bioes tructuras, bien por inactivación de enzimas hidrolizantes o ARS PHARMACEU1'ICA 83 bien por eliminación de bloques de energía. Entre estas tres po sibilidades solamente la protección a bioestructuras ha sido puesta de manifiesto. Se basan en que este tipo de sustancias producen cambios bioquímicos y modificaciones en la estructu ra subcelular. Como salvo ,esta última -la protección bioquímicato das las demás teorías son insuficientes para explicar el posible mecanismo de acción de estas sustancias, es donde actualmen te se han fijado las experiencias. Aunque ya BACQ y GOUTIER (25) sugirieron que las sustancias conteniendo azufre afectan mar cadamente el metabolismo y la ultraestructura celular de los órganos, aceptando la hipótesis de que se incrementaban la efi cacia del sistema reparador o protector, hoy día se ha demostra do que efectivamente hay al menos algo de 'ello. Así lo prueba, por ejemplo, los trabajos de MASUROVSKY y BUNGE (26) quienes recientemente han indicado que los resultados de la protec ción contra las radiaciones efectuadas en cultivos de ganglios espinales de mamíferos han demostrado que los derivados transguanílicos del AET (MEG Y GED) forman una protección importante de los orgánulos cttoplasmáticos esenciales y de las estructuras nucleares de neuronas y de otras células presentes en estos cultivos. La autoradiografía por medio de AET mar cado con. S35 examinadas al microscopio óptico y electrónico ha mostrado uniones de AET numerosas, en particular en las es tructuras mencionadas anteriormente. Estas observaciones, muy aproximadas a las realizadas por otros autores, muestran que hay aparentemente una estrecha correlación entre la ra dioprotección celular y la presencia de derivados azufrados en las estructuras citoplasmáticas y nucleares vitales. Como resumen podemos indicar que cualquiera que sea el mecanismo de acción de las sustancias radioprotectoras en sis temas vivos, lo mismo que sucede con otros grupos farmacoló gicos, hay que admitir que cada sistema debe ser estudiado in dependientemente y que al mismo resultado final se puede lle gar por diferentes caminos por distintas sustancias y que pro bablemente será dependientes de los diversos sistemas, {de las concentraciones y de otras variables. Así mismo hay ;,¡e acep tar que cualquiera que sea el mecanismo que POdamo; aplicar, 84 J, SAENZ DE BURUAGA LERENA puede que no sea exclusivo, sino que probablemente sean los resultados de diversos mecanismos. Radioprotectores químicos.-Al hacer la revisión bibliográ fica de este tipo de sustancias se observa que como ya hemos indicado anteriormente, es en el segundo grupo -derivados -SHdonde preferentemente se ha centrado la investigación, por ser el grupo más concreto y justificado en toda clase de sis temas su acción, ya sea por la importancia cuantitativa del efecto, por la relación con constituyentes normales de las cé lulas vivas o por la gran reactividad química y variedad de efec tos farmacológicos, entre otras las causas. Dentro de él, desde que en 1949 PATT Y col. (11) indicaron que la cisteina tenía leve acción protectora, muchos derivados de ella y de la cisteamina han sIdo preparados. Así FOYE, DUVALL Y MICKLES (27) sintetizaron una serie de derivados S-acilados de la mercaptoetilamina en un intento de encontrar compues tos que tengan efectos protectores en las células animales y que sean menos tóxicos que la propia MEA. Indican que algunos de los ésteres presentan una toxicidad reducida para los anima les, manteniendo una buena capacidad protectora frente a los rayos X. KAY y FOYE (28) presentan diversos N-2-mercaptoetil piperazinas y complejos metálicos de 2-mercaptoetilamina, en sayando la protección en ratones contra la R-X a 575,roentges. JOHNTON y STRINGFELDOW (29) prueban como agentes anti rradiactivos potenciales una serie de sales internas de los áci dos f3 -(2-mercaptoetilamina)-1-alcansulfónicos, encontrando que solamente el ácido 3,3ditio-bis (etilenimino) -bis (1propansulfónico) y el tiol derivado de él, muestran buena ac tividad radioprotectora, mientras que ninguno de los sulfona tos del tipo isotiuronio muestran actividad significativa, con la pOSible excepción del ácido 4- (acetamidoiltio)-l-butansulfóni co. PIPER (30) prepara una serie de aminoácidos derivados del 2-aminoetanotiol, llegando a la conclusión de que las sustan cias S-2-amino-3-metilbutilfosfotionato de hidrógeno y sodio, los ácidos S-2-amino-2-metilpropil-2-tiosulfúrico y fosfotió nico proporcionan buena protección a ratones frente a las ra diaciones. ARS PHARMACEUTICA 85 FERRIS y col. (31), como parte de un programa también en caminado a la síntesis de drogas antirradiactivas, preparan di versas 2-mercaptoetilaminas-N -sustituidas. AIRAPETIAN (32) en 1967 preparó el ácido ,B-mercaptopropio ni ca de la cisteina y cisteamina. THARMES (33) preparó 17 derivados organosilícicos de los cuales 6 son derivados de la mercaptoetilamina. Más recientemente ELLIOT y col. (34) preparan una gran se rie de derivados N -aJieicJicos del 2-aminoe"tanotiol para ensayar sus propiedades antirradiactivas. otro gran grupo lo constituyen los derivados de las sales de tiouronio, cuyo representante más genuino es el AET (aminoeti lisotiouronio). Quizás podamos encontrar sus antecedentes en la tiourea, pues desde MOLE (8) informó de la débil protección de ella hasta nuestros días han sido muchos los trabajos' en es te sentido, siendo uno de los más recientes el de WHEELER y RI BOT (35). Estos autores indican que la acción puede atribuirse a la presencia del equilibrio tiol/tiona, que reacciona con los ra dicales formados en la radiolisis del agua. Asi mismo llegan a la conclusión de que la presencia de un grupo metilo reduce la rcactividad protectora de la tiourea y que dos o cuatro grupos metilos, como l.a 1,3-dimetiltiourea o la tetrametiltiourea, aún reducen todavía más la acción y añaden que ello es debido al efecto inductivo (+ 1) del grupo mEtilo en la metiltiourea, redu ciendo la libertad de ionización de los átomos de hidrógeno uni dos a los átomos de nitrógeno así como aumentando la poJari dad del doble enlace carbono-azufre, con lo que se reduce la cantidad de forma tiol presente. Referente al AET debemos indicar que este compuesto, se gún la teoría de la intratransguanilación formulada por SHAPIRO, DOHERTHY y BURNER (36), sufre -tanto in vivo como en el labo ratoriouna transposición intramolecular pasando a MEG (mercaptoetilguanidina) y que esta es la sustancia que realmen te tiene la acción antirradiactiva. FOYE (37) lo explica admi tiendo que esta sustancia tiene la capacidad de unirse a iones metálicos impidiendo oxidaciones celulares y según indica más claramente BALAMUKHA (38) es debido a que en teoría, la rádia ción ionizante forma peróxidos lo que provoca en los tejidos oxi dación irreversible del ión cuproso presente en la citrocromoxi-