Radiación UV solar y sus acciones biológicas sobre la piel
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Radiación UV solar y sus acciones biológicas sobre la piel Salum GM1,2, gmsalum@hotmail.com – Argentina Cañarte C3 y Cecy_canarte@yahoo.com – Ecuador Piacentini RD1,4 Ruben.piacentini@gmail.com – Argentina 1 Instituto de Física Rosario (CONICET - Universidad Nacional de Rosario), CCT/CONICET, Bv 27 de Febrero 210bis, 2000 Rosario, Argentina 2 Facultad Regional Concepción del Uruguay, Universidad Tecnológica Nacional 3 Fundación Ecuatoriana de Psoriasis (FEPSO), Quito, Ecuador 4 Facultad de Cs Exactas, Ingeniería y Agrimensura, Universidad Nacional de Rosario Resumen En este Capítulo, se introduce la radiación solar UV incidente fuera de la atmósfera terrestre y luego de atravesarla. Dicha radiación resulta atenuada por los componentes gaseosos (principalmente ozono) y por las partículas en suspensión (o polvo atmosférico). Con instrumentos de alta calidad y definición, se ha medido en el Observatorio Astronómico de Rosario, Argentina, la intensidad (técnicamente denominada irradiancia) solar UV espectral, en función de la longitud de onda. Con esta información y el espectro de acción biológica (que describe la sensibilidad a la radiación que incide sobre el sistema en estudio) es posible obtener las irradiancias: eritémica, de daño al ADN y de síntesis (o fijación) de vitamina D. A partir de la primera, se determina el índice UV, un indicador internacionalmente empleado para medir el riesgo solar, y con las demás irradiancias los índices de daño al ADN y de síntesis de vitamina D. 1
Además, dado que se ha demostrado que la temperatura ambiente, - además de la radiación solar, produce cáncer de piel, se ha determinado el incremento de los cánceres espino-celulares y baso-celulares, que se proyecta para el presente siglo, a partir del pronóstico de la evolución de la temperatura ambiente, optimista (la sociedad aplicará medidas de eficiencia energética y de remplazo de combustibles contaminantes por fuentes renovables, entre otras) o pesimista, realizado por el Panel Intergubernamental de Expertos sobre Cambio Climático en su último informe 2013. Palabras clave: radiación solar – acción biológica – piel – índice UV – daño al ADN – Vitamina D 1. Introducción El Sol es fuente de vida y de energía. A nivel de la parte exterior de la atmósfera terrestre, su distribución espectral (en longitudes de onda) se concentra en los rangos UV (280-400 nm, donde 1 nm o nanómetro es igual a una mil millonésima de metro) (figura 1). Luego de atravesar la atmósfera, la radiación solar es atenuada en diferentes proporciones, pero en mayor medida en el rango UV. En la figura 2, está representada la irradiancia (o intensidad) solar espectral medida con el espectro-radiómetro de alta calidad Optronic 756 del Instituto de Física Rosario (CONICET – Universidad Nacional de Rosario), en Junio 2012, en el Observatorio Astronómico de Rosario, Argentina. 2
Figura 1. Distribución espectral (en longitudes de onda) de la radiación solar que llega a nivel de superficie terrestre. Adaptada de epswww.unm.edu. Nota: la imagen de la Tierra es de la NASA. Figura 2. Irradiancia (o intensidad) solar espectral medida en el Observatorio de Rosario, Argentina, con el espectro-radiómetro del Instituto de Física Rosario (CONICET – Universidad Nacional de Rosario), en Junio 2012. 2. Irradiancia solar espectral a nivel de superficie terrestre. Para la determinación de las irradiancias UV de efecto biológico es necesario conocer la radiación UV solar que llega a nivel de superficie terrestre, en plano horizontal, por unidad de área superficial y de tiempo y por cada longitud de onda. A esta irradiancia se la conoce como irradiancia solar espectral y su unidad es W/(m2nm). Esta irradiancia fue obtenida en el rango UV de dos formas: a) con mediciones al mediodía solar de Rosario mediante espectro-radiómetro doble monocromador Optronics y b) mediante modelización con software TUV (Madronich S, www.acd.ucar.edu/TUV/). En la figura 3 puede observarse el resultado de las mediciones (izquierda) y de la modelización (derecha) para la ciudad de Rosario, mostrando su evolución anual. La diferencia entre ambas está relacionada con el hecho de que la modelización se realiza suponiendo un día perfectamente claro y con componentes atmosféricos que varían suavemente mientras que las mediciones son valores reales con condiciones atmosféricas reales. En esta gráfica puede verse que, en el rango UVA (hacia los 400 nm), existe una variación aproximada del 50% entre el valor máximo y el valor mínimo de la irradiancia, aumentando significativamente esta variación hacia el UVB. 3
Figura 3. Gráfica 3D de la evolución anual de la irradiancia espectral UV solar. Izquierda: Medida con especro-radiómetro Optronics 756. Derecha: Modelada con software TUV (www.acd.ucar.edu/TUV/). 3. Componentes de la atmósfera terrestre que atenúan las radiaciones solares UV La atmósfera terrestre está compuesta por gases y partículas en suspensión (denominadas “aerosoles” o más comúnmente “polvo atmosférico”). En conjunto atenúan las radiaciones solares UV (en el rango 280-400nm), siendo el ozono y los aerosoles los mayores atenuadores de estas radiaciones. 3.1 Ozono El ozono es un gas cuya molécula está formada por 3 oxígenos (O3), por lo que es fácil derivar que ha sido producida en la atmósfera a partir del oxígeno molecular (O2),el cual está presente en una proporción cercana al 20%. El ozono se distribuye desde la superficie terrestre hasta aproximadamente unos 50 km de altura, concentrándose en mayor proporción en la estratósfera (un 90%), con un máximo a una altura de unos 23 km. 4
Figura 4. Representación esquemática del agujero de ozono antártico. Los colores azules indican altos valores y los colores violeta y amarillo, bajos valores. Los continentes se encuentran delineados en colores claros (Fuente: NASA). Esta alta concentración se denomina “capa de ozono”, la cual permaneció prácticamente constante durante millones de años, hasta que a comienzos de la década del 1980, llegaron a nivel de la capa de ozono estratosférica contaminantes denominados freones y halones (principalmente clorofluorocarbonos, CFC). Estos contaminantes destruyeron la capa de ozono en amplias regiones de la Tierra de latitudes medias y altas, siendo la zona austral la que sufrió la mayor destrucción, generándose el denominado “agujero de ozono antártico” (Figura 4). Figura 5. Evolución con el paso de los años del agujero de ozono antártico en el mes de máxima extensión, desde Octubre 1979 hasta Octubre 1994, medido por el equipo satelital TOMS del Goddard Space Flight Center (GSFC)/NASA. Los colores blanco y rojo intenso indican altas concentraciones y los colores azules y violeta, concentraciones muy bajas (en el agujero de ozono antártico). 5
Este agujero evolucionó con el tiempo, profundizándose hasta mediados de la década del 1990 (Figura 5) y permaneciendo aproximadamente constante a continuación (Figura 6). Figura 6. Evolución del agujero de ozono antártico, similar a la descripta en la figura 5, hasta fines de la década del 1990. Los colores azules cada vez más intensos indican mayor destrucción de la capa de ozono (fuente: EarthObservatory.nasa.gov). La destrucción del ozono continuó hasta que, en 1987, Naciones Unidas logró que se firmara el Tratado de Montreal y en los años siguientes, Enmiendas a dicho Tratado que introdujeron cada vez más restricciones sobre los contaminantes. De este modo se pudo reducir la destrucción de la capa de ozono y por consiguiente el aumento del índice UV, un indicador del riesgo solar empleado a nivel internacional (Cañarte y colaboradores, 2010), obligando a los países productores de los gases contaminantes a disminuir sensiblemente su producción primero y eliminarla después. Así, se espera que la capa vuelva a su espesor anterior hacia mediados del presente siglo (WMO, 2007). Figura 7. Evolución del ozono observada hasta el 2010 y pronosticada para el futuro en toda la Tierra, si no se hubiera restringido el uso de contaminantes del ozono por el Tratado de Montreal y Enmiendas posteriores. El código de colores es similar al de la figura 6 (Newman y colaboradores, 2009 y EarthObservatory.nasa.gov). 6
Un importante estudio sobre el futuro evitado por la aplicación del Tratado de Montreal y Enmiendas, ha sido realizado por Newman y colaboradores (2009) del Goddard Space Flight Center/NASA. Estos autores analizaron cual hubiera sido la concentración de ozono en la Tierra y el Indice UV (ver ítem 5.1.2), si no se hubieran aplicado las medidas restrictivas antes mencionadas. Sus resultados están representados en forma esquemática en las figuras 7 y 8, donde es posible observar que el ozono se destruiría en gran proporción en las próximas décadas, llegando al 2065 a tener un espesor tan pequeño como el que se tiene al presente durante el evento de agujero de ozono antártico (unas 100 UD o Unidades Dobson, donde 1 UD es igual a una cien milésima parte del metro). Figura 8. Comparación de la concentración atmosférica de ozono, si no se hubiera aplicado el Tratado de Montreal y Enmiendas (futuro evitado con valores muy bajos, izquierda) y de dicha concentración con las medidas restrictivas (futuro posible, derecha), hacia el 2060 (Fuente: Newman y colaboradores, 2009 y EarthObservatory.nasa.gov). 3.2 Aerosoles Los aerosoles, son partículas de tamaños microscópicos (de fracciones de micrón, la millonésima parte del metro hasta unos 100 micrones) en suspensión en la atmósfera, de tipo orgánico o inorgánico. Entre los aerosoles orgánicos, cabe destacarse la arcilla o arena del suelo, los granos de sal, los compuestos de azufre emitidos durante la emisión de volcanes, los minerales emitidos por la industria, etc. En lo que respecta a los inorgánicos, están los restos de vegetales (de hojas y ramas, polen, compuestos orgánicos emitidos por los árboles, etc) y animales (pequeños insectos, bacterias, etc). En la figura 9 es posible observar muestras de aerosoles colectados durante los eventos de incendios de biomasa (plantas acuáticas, pasto y árboles) de las islas del Delta del río Paraná, en el Observatorio 7
Astronómico de la ciudad de Rosario, Argentina, Argentina y en una de las islas cercanas a dicha ciudad. Las imágenes correspondientes fueron obtenidas con el Microscopio Electrónico de Barrido del Instituto de Física Rosario. Estos aerosoles produjeron una nube de contaminación que, al sobrepasar el instrumento que mide el índice UV, determinó una reducción de este índice en un 95% (Ipiña y colab., 2012). Figura 9. Imágenes del Microscopio de Barrido Electrónico (SEM) obtenidas por adherencia en un captor pasivo. Arriba: El captor estuvo ubicado en el Observatorio Astronómico de Rosario durante 24 horas (desde las 18:00 hora local del 24 de Abril de 2008). Abajo: El captor se encontraba en las islas del río Paraná opuestas al Observatorio Astronómico de Rosario durante 24 horas (desde las 20:00 hora local del 25 de Abril de 2008). Nota: Las barras indican 10 µm, excepto la imagen f en la cual la barra indica 1 µm. Las imágenes (a), (b), (c) y (e), pueden ser identificadas como aerosoles biológicos y la imagen (e) como una partícula de polen (Ipiña y colab, 2012). En consecuencia, este resultado (si bien extremo) muestra que las partículas en suspensión, en general atenúan las irradiancias solares espectrales y por consiguiente, las de acciones biológicas y los índices asociados. 4. Espectros de acción biológica de la radiación UV sobre la piel 8
Un espectro de acción refleja la efectividad de una reacción específica a una dada longitud de onda, con su máxima efectividad normalizada en 100% para una longitud de onda determinada (Ambach y Blumthaler, 1994),que usualmente se considera 298 nm (Herman, 2010). 4.1 Espectros de acción eritémica, de daño al ADN y de síntesis de vitamina D. En la figura 10 se muestran tres espectros de acción biológicos de la radiación UV sobre la piel(Herman, 2010 y referencias incorporadas en esta publicación relativas a los espectros), los cuales serán empleados en este trabajo, para caracterizar las acciones correspondientes. Puede verse que los espectros poseen diferente forma y por ende la piel posee diferente respuesta a cada longitud de onda. Por ejemplo, la síntesis de vitamina D tiene máxima intensidad a unos 295 nm, el daño al ADN se concentra esencialmente en el rango UVB y tiene mayor acción a longitudes de onda menores que 310 nm. La producción de eritema presenta mayor eficacia para longitudes de onda menores que 300 nm, disminuyendo luego sensiblemente. Los tres espectros concentran principalmente su mayor acción en el rango UVB (280-320 nm). Figura 10. Acciones biológicas de daño al ADN, eritema y síntesis de vitamina D, normalizadas (todas tienen el mismo valor) en 298 nm (Herman, 2010; Setlow, 1974; McKinlay y Diffey 1987, Bouillon y colab, 2006). Para conocer el efecto sobre la piel, no solo debe tenerse en cuenta el espectro de acción sino también la distribución de intensidades con que cada longitud de onda de radiación solar llega a nivel de la piel. Esta distribución está dada por la irradiancia solar espectral que ha sido introducida al principio de este Capítulo (ítems 1 y 2). 5. Irradiancias de acciones biológicas sobre la piel 9
La Irradiancia de acción biológica es una variable de gran interés para establecer los efectos que puede producir la radiación solar (y aún artificial) sobre seres vivientes. Los efectos biológicos observables en humanos debido a la exposición a la radiación UV solar, están limitados a la piel o los ojos, debido a las propiedades de baja penetración del UV en los tejidos humanos. En particular, en el área de la Dermatología, la Irradiancia eritémica es de importancia porque a través de ella es posible fijar un criterio de riesgo de exposición al Sol, introduciendo el denominado Indice UV (ver ítem 5.1.2). La penetración en la piel de la radiación UV es en general menor a 1 mm (Bruls y colaboradores, 1984) lo que determina que se observen efectos principalmente en las células de la epidermis y dermis. Entre las acciones biológicas con efecto perjudicial de la radiación UV sobre la piel se encuentran el daño al ADN y el eritema. El principal efecto benéfico conocido de la exposición al UV es su rol en la síntesis (o fijación) de la vitamina D en la piel. La forma de obtener esta Irradiancia solar de acción biológica, es mediante la multiplicación de la Irradiancia espectral solar por el espectro de acción correspondiente (ver, por ejemplo, Figura 11). 5.1 Irradiancia eritémica e Índice UV 5.1.1 Efecto biológico de la irradiancia eritémica El enrojecimiento de la piel asociado con una exposición al Sol se denomina eritema y está caracterizado por el espectro de acción eritémico, fuertemente concentrado en el rango UVB (ver figuras 10 y 11). Por consiguiente, cuando estas radiaciones son intensas (en primavera- verano, con el Sol alto por encima del horizonte y aún con nubes tenues que las atenúan muy poco) las personas expuestas al Sol por un tiempo mayor al que le permite su tipo de piel, pueden desarrollar “quemadura solar” y si lo hacen en forma repetitiva y sin protección, aún “cáncer de piel”. 10
Figura 11. Irradiancia solar espectral de acción biológica eritémica (línea roja) obtenida como producto de la irradiancia solar espectral F (línea verde) y la curva de acción biológica eritémica B (línea negra), F x B, para el 5 de marzo de 2013 a las 13:02 hora local en la ciudad de Rosario, Argentina. Nota: la irradiancia solar espectral fue medida con el espectro-radiómetro Optronic 756del Instituto de Física Rosario (CONICET –UNRosario). El eritema es una manifestación de dilatación de vasos sanguíneos en la dermis después de la exposición de la piel a la radiación UV. Se ha interpretado que el fenómeno de la vasodilatación es afectado por la substancia mediadora formada por los mastocitos, basófilos y plaquetas y que difunde en la dermis, actuando sobre los vasos de la misma (Corrales Padilla,…). En la Figura 11 se ha representado un resultado típico de esta irradiancia solar eritémica. La Irradiancia espectral, F(λ), ha sido medida en el Observatorio Astronómico de Rosario, Argentina, el día 5 de marzo de 2013 con el espectro-radiómetro Optronic 756 del Instituto de Física Rosario (CONICET-Universidad Nacional de Rosario). Multiplicando dicha Irradiancia con el espectro de acción correspondiente, B(λ), se obtiene la irradiancia espectral eritémica: F(λ) x B(λ), cuya unidad es W/(m2nm), siendo W la unidad de potencia denominada Vatio o Watt. El área bajo la curva del resultado de esta multiplicación es la irradiancia eritémica, siendo en este caso su unidad el W/m2. Puede observarse que la irradiancia espectral solar está esencialmente concentrada en el rango UVB (en alrededor de un 90%) y en menor proporción en el rango UVA (10%). Además el máximo se da hacia los 305 nm. 11
Sumando todas las contribuciones a lo largo de un período de tiempo, se obtiene la dosis eritémica (expresada en J/m2, donde J representa la unidad de energía Joulios). A través de mediciones satelitales, es posible tener acceso a datos globales (para toda la superficie terrestre). Uno de los equipos más avanzados que realizó mediciones durante más de un cuarto de siglo, del ozono y las irradiancias solares UV y eritémica es el Espectrómetro de Registro Total del Ozono (Total Ozone Mapping Spectrometer, TOMS), desarrollado en el Goddard Space Fligth Center de la NASA. Un ejemplo típico de este registro es el mapa de la Figura 12, para el mediodía solar del 21 de Marzo de 2004. Se observa que la zona intertropical presenta altos valores de esta irradiancia (colores rojo, amarillo y violeta). Figura 12. Mapa de la Irradiancia eritémica UV al mediodía solar obtenido de la base de datos satelital de TOMS/NASA, para el mediodía solar del 21 de Marzo de 2004. 5.1.2 Indice UV La Irradiancia eritémica, para momentos cercanos al mediodía solar a latitudes medias y al nivel del mar (por ejemplo Rosario o Buenos Aires, Argentina) en el máximo anual, cerca del 21 de diciembre, toma valores en el rango 0,3-0,33 W/m2. Este valor es difícil de comunicar a la población por lo que la Organización Mundial de la Salud (OMS) ha establecido a nivel internacional un índice de referencia, denominado Indice UV (http://www.who.int/uv/intersunprogramme/activities/uv_index/en/). 12
Este Indice UV (IUV) se determina multiplicando la irradiancia eritémica por el factor 40 m2/W, resultando en un valor adimensional en el rango de 0 (cuando no hay radiación solar presente) a 15 o más (en el tope de las montañas y en los trópicos en algunos períodos del año) al mediodía solar. A medida que los valores de IUV son más grandes (o más pequeños), los períodos de tiempo, antes de que ocurra el daño en la piel, serán más cortos (o más largos). El tiempo de exposición al Sol depende, entre otros factores, de cuánta melanina hay en la piel, yaque la protege de la radiación energética UV y de otros factores genéticos (Long, 2003). Figura 13.Tabla de Al Indice UV se le asocia palabras que valores del Indice UV y califican el riesgo del siguiente modo: Bajo, su relación con las Moderado, Alto, Muy alto, y Extremo. calificaciones y el código de colores adoptado por Así la OMS ha establecido la relación entre la OMS. valores del índice y calificaciones correspondientes dada en la figura 13. Sin embargo, Piacentini y colaboradores propusieron (www.smn.gov.ar/?mod=ozono&id=2, http://www.smn.gov.ar/?mod=ozono&id=5) modificar esta relación entre el valor del IUV y la calificación correspondiente, dado que el valor Extremo de 11 o más para dicho índice fue establecido primeramente por Environment Canada, en Canadá, país que se encuentra ubicado a altas latitudes (43°N o más) y por consiguiente las irradiancias solares son relativamente bajas en comparación a regiones de latitudes y altitudes mayores. Además el fototipo de la población canadiense según la clasificación de Fitzpatrick (1975) es relativamente bajo (alrededor de 2 sobre 6). Por el contrario, en regiones de latitudes medias y bajas (templadas y tropicales) de Latinoamérica y otras regiones del mundo donde viven gran parte de los habitantes del Planeta, es frecuente que se den valores iguales o superiores a 15. 13
Figura 14. Indice UV para cielo nublado, pronosticado diariamente por el Servicio Meteorológico Nacional de Argentina (izquierda), en base a la escala de calificaciones propuesta por Piacentini y colaboradores (derecha) (www.smn.gov.ar, ícono ISUVn). En la Figura 14.derecha, se observa la calificación propuesta para Argentina del Indice UV desarrollado por Piacentini y colaboradores del Instituto de Física Rosario, con la colaboración de la Fundación del Cáncer de Piel de Argentina. La mayor diferencia con la calificación de la OMS (figura 13) es el límite superior “Extremo”, que se ha corrido del valor 11 o más a 15 o más. Esta propuesta de modificación de las calificaciones, ha sido aplicada por Ecuador y está siendo sugerida a través del Consenso de Arequipa, para ser aplicada en todas las regiones de altas intensidades solares (Ver Apéndice 1). En la figura 14.izquierda está representados los valores del Indice UV incluyendo la atenuación producida por nubes (ISUVn, índice solar UV considerando cielo nublado) para lugares geográficos seleccionados, correspondientes al día 4 de diciembre de 2013. Un esquema más detallado, representado en código de colores, para todo el país, está dado en la Figura 15 para el mismo día, en condiciones de cielo claro (ISUV, índice solar UV) y con pronóstico de cubierta de nubes (ISUVn). Es posible observar que en la región de alta montaña andina de la Puna de Atacama, los valores para cielo claro (ISUV) superan el valor 20. 14
Figura 15. Mapa del Indice UV diariamente pronosticado por el Servicio Meteorológico Nacional a través de su página web: http://www.smn.gov.ar/?mod=o zono&id=2 Los mapas muestran la situación con cielo claro (izquierda) y con cielo nublado (derecha), para el día 4 de diciembre de 2013. En la zona de la Puna de Atacama, al Nor-Oeste del país, los valores superan el valor 20. En forma similar a la irradiancia eritémica medida por satélites de la NASA, el equipo satelital SCIAMACHY del Instituto Meteorológico de Holanda (KNMI) y la Agencia Espacial Europea (ESA) permite generar diariamente mapas de pronóstico diario en condiciones de cielo claro para toda la Tierra. Un ejemplo de este mapa está dado en la Figura 16, para el día el 15 de enero de 2011, observándose que los valores mayores (que exceden 18) se dan en la zona central (intertropical o cercana a estas latitudes) de los Andes. 15
Figura 16. Mapa del Indice UV pronosticado por el equipo satelital SCIAMACHY del Instituto Meteorológico de Holanda (KNMI) y la Agencia Espacial Europea (ESA), para toda la Tierra, el 15 de enero de 2011. Luego de realizado el cálculo de la irradiancias UV de acción biológica eritémica (multiplicación de espectro de acción eritémico por irradiancia solar espectral) correspondientes a siete días típicos del año (5 de marzo de 2013, 1° de enero y 27 de julio de 2012, y 12 de setiembre, 3 y 31 de octubre y 28 de diciembre de 2011), se interpolaron los datos para todo el año y se determinó así su evolución a lo largo de los días del año Figura 17. Evolución anual de la (figura 17). irradiancia eritémica y el Indice UV para la ciudad de Rosario obtenida En la misma figura se mediante uso del espectro de acción muestra también el IUV correspondiente. correspondiente. Como se puede apreciar, tienen la misma evolución y difieren sólo del factor 40. Para obtener la evolución anual del Indice UV se analizaron los datos de irradiancia solar UV espectral en la ciudad de Rosario de los 7 días antes considerados. 5.1.3 El futuro evitado del Índice UV En relación al índice UV, según Newman y colaboradores (2009), su evolución en el caso de que el ozono se hubiera destruido por no cumplimiento del Tratado de Montreal y Enmiendas posteriores, sería la de un incremento constante desde los valores actuales (del orden de 10 para latitudes medias) hasta alrededor de 30 para el 2065 (figura 18). Por el contrario, el futuro es promisorio, si se continúa con la eliminación de los contaminantes del ozono, según lo detallado en la figura 18, ya que hacia 16
2065, Newman y colaboradores pronostican que el Indice UV volverá a ser aproximadamente el mismo que al presente (valor 10). Figura 18. Indice UV a latitudes medias de la Tierra, que puede ser evitado (valor 30 en el 2065) si se reduce la emisión a la atmósfera de contaminantes del ozono (curva roja) e Indice UV esperado (curva azul), si continúa cumpliéndose la eliminación de estos contaminantes (Fuente: Newman y colaboradores, 2009 y EarthObservatory.nasa.gov). 5.2 Irradiancia de daño al ADN e Índice de daño al ADN 5.2.1 Efecto biológico de la irradiancia de daño al ADN De la radiación UV, la más efectiva para producir daño al ADN es la UVC (100-280 nm), seguida de la radiación UVB, y por último la UVA pero dado que la capa de ozono filtra el UVC en casi su totalidad, en gran medida al UVB y muy poco al UVA, los efectos por radiación UV solar sobre el ADN se atribuyen a estos dos últimos rangos (UVB y UVA), tal como se analizó en la Figura 10. De estas dos radiaciones, Figura 19. Esquema del grado la UVA penetra más la piel que la de penetración de la radiación UVB (figura 19). solar en las distintas capas de la piel. Se ha demostrado que las radiaciones UVA y UVB producen daño al ADN directa e indirectamente a través de estrés oxidativo (Ichihashi y colab., 2003). 17
Las bases de ADN directamente absorben fotones (cantidades discretas energéticas de radiación solar) incidentes sobre la piel en el rango UV. El efecto fototóxico de la radiación UVA es mucho más bajo que el efecto de la UVB, ya que, según Rosenstein y Mitchell (1987) el ADN no es un cromóforo (absorbedor de radiación) de la radiación UVA, pero pueden dañarlo por fotosensibilización a través de la absorción del UVA por un cromóforo no identificado (Ichihashi y colab., 2003). Experimentalmente se demostró que la radiación UVB es la más efectiva para inducir cáncer de piel en los animales. El efecto directo es la generación de fotoproductos dímeros de pirimidina ciclobutanos (CPD por su sigla en inglés) y fotoproductos pirimida (6-4) y pirimidona (6-4pp) que inducen mutaciones en las células epidérmicas, dando por resultado el desarrollo de células cancerígenas (Pillai y colab., 2005). Figura 20. El daño más común de la Figura 21. Esquema de las radiación UV sobre el ADN es la lesiones inducidas por la ruptura de dos bases sucesivas radiación UV en el ADN (www.nasa.gov/topics/solarsystem/feat (Carrasco-Ríos, 2009). ures/uv-exposure.html). El daño más común es el de tipo cis-syn CPDs (3/4 partes de los fotoproductos). Estos fotoproductos se forman como resultado del rompimiento de los dobles enlaces C=C de dos bases sucesivas de pirimidinas (Figuras 20 y 21). Los fotoproductos pirimidina-pirimidona (6-4) se forman por la ruptura de un doble enlace C=C y un doble enlace C=O en posición 4, produciéndose un enlace covalente entre estas dos bases sucesivas. La consecuencia de la producción de dímeros de pirimidina es que distorsionan localmente la estructura del ADN, interfiriendo en la replicación de las bases complementarias y produciendo como consecuencia una elevación en la cadena afectada. Si la replicación se bloquea, la célula muere ya que se inhibe la división celular y se evita que 18
el daño en el ADN se transmita (Ichihashi y colab., 2003; González- Púmariega y col., 2009). Se encontró que los CPDs son las lesiones más mutagénicas debido a su abundancia, lenta reparación y mutagenicidad distinta, además tienen un rol importante en la inducción de inmunosupresión y carcinogénesis por radiación UV (Yoon y colab., 2000; Kripke y colab., 1992). Entre las lesiones indirectas de la radiación UVB se encuentran los daños oxidativos generados por la reacción con especies reactivas del oxígeno (ROS) formadas en las zonas irradiadas, o por transferencia de cargas de cromóforos endógenos excitados. La apoptosis (o muerte celular programada) es el proceso ordenado por el que la célula muere ante estímulos extra o intracelulares, eliminando las células innecesarias durante el desarrollo y el crecimiento, y protegiendo a los organismos al matar las células defectuosas. Los defectos en la apoptosis pueden ser dañinos, dado que llevan a una mayor supervivencia celular y al posible crecimiento incontrolado característico del cáncer. Muñoz y colaboradores (2009) encontraron que la radiación UV activa la producción de la proteína que promueve la muerte celular, incluso en las células que carecen del gen p53 que es un gen supresor de tumor (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22268/). Demostraron de este modo que los mecanismos de muerte celular eran independientes del gen p53, lo cual es generalmente necesario para causar apoptosis celular. 5.2.2 Índice de daño al ADN Al igual que para la Irradiancia eritémica (ítem 5.1.1), la irradiancia de daño al ADN se obtiene multiplicando el espectro de acción de daño al ADN por la irradiancia solar espectral medida en un dado lugar geográfico y en un dado momento del día. En particular, en la figura 22, está representada dicha irradiancia espectral medida de Rosario, interpolándose luego para obtener su evolución anual. 19
Figura 22. Idem figura 13 para la acción biológica de daño al ADN. El Indice de daño al ADN se define del mismo modo que el Indice UV, aplicando la siguiente fórmula: ñ = ñ ∙ 40 donde IdañoADN es el valor de la irradiancia de daño al ADN, expresada en unidades de W/m2. Usando el mismo factor para el cálculo de los índices, es Figura 23. Evolución anual de la posible compararlos. irradiancia y el índice de daño al ADN para la ciudad de Rosario, En la figura 23 se muestra la Argentina, obtenida mediante el evolución anual de la empleo del espectro de acción irradiancia y el índice de daño correspondiente. al ADN para la ciudad de Rosario, Argentina, en función de los días del año. 5.3 Irradiancia de síntesis de vitamina D 5.3.1 Efecto biológico de la irradiancia de vitamina D 20
Existen dos formas de vitamina D: vitamina D2 y vitamina D3. La vitamina D2 es sintetizada en las plantas y los hongos, mientras que la vitamina D3 (colecalciferol) resulta de la incidencia de radiación sobre el 7- dehidrocolesterol (7DHC) en la piel del humano y de otros animales (Newton-Bishop y colab., 2009). Ambas formas juegan un rol igualmente efectivo en el mantenimiento del metabolismo del calcio. En las mediciones del estado de vitamina D no se diferencia entre vitamina D2 y D3, pero es importante resaltar que cualquier vitamina D originada desde la síntesis cutánea es Figura 24. Metabolismos de la vitamina D3 (Figura 24). El límite vitamina D. Imagen adaptada de más bajo de estado de vitamina D http://www.scientificpsychic.com/he adecuado está definido como 10 alth/vitaminas-y-minerales.html µg/l y el límite superior aún no se ha sugerido (NRPB, 2002). Los alimentos son una segunda fuente de vitamina D, pero sólo pocos alimentos la contienen tales como la anguila, el arenque, el salmón y los hongos. También leche, queso, manteca/margarina y jugos de fruta fortificados son buenas fuentes de vitamina D. El aporte dietético es bajo, y los únicos alimentos ricos en ella, como el pescado azul, son muy poco consumidos en una dieta occidental estándar. De hecho, la mayoría de la vitamina D aportada por la dieta viene contenida en la leche o la margarina en forma de suplementos. Por ello, el concepto de vitamina D podría sustituirse con toda lógica por el de la hormona D, ya que es el propio organismo el que debe sintetizarla en una situación habitual de carencia de aporte suficiente por la dieta. Por tanto, la vitamina D cutáneamente sintetizada por lo general contribuye el 80-90 % al suministro de vitamina D en los humanos, lo que determina la 21
importancia de una correcta exposición al Sol, en un tiempo prudencial, que no sobrepase al tiempo de exposición para la generación de eritema. La producción de vitamina D en la piel consiste esencialmente en dos etapas. Primero una reacción rápida inducida por radiación UV, luego una etapa muy lenta de isomerización por calor. La síntesis básica cutánea es parte de un conjunto más completo de reacciones fotoquímicas que controlan la disponibilidad neta de la vitamina D desde esta fuente. La 25(OH)D responde a la exposición de la radiación UVB, aumentando en los meses de verano y disminuyendo con la falta de exposición, por ejemplo del invierno. Se ha encontrado que en las personas que viven en latitudes altas y medias, existe un ciclo estacional de la 25(OH)D. (Webb y Engelsen, 2006) La regla de Holick dice que una exposición al Sol de ¼ DEM (Dosis Eritémica Mínima, o dosis de radiación necesaria para inducir eritema)sobre 25% del cuerpo es equivalente a una dosis oral de 1000 Unidades Internacionales (UI) de vitamina D3 (Dowdy y col, 2010). Webb y colaboradores (1988) encontraron que existe una dependencia de la síntesis cutánea de la vitamina D con la latitud y la estación del año y que además es necesaria una dosis UV biológica efectiva mínima para la generación de pre-vitamina D. Engelsen y colaboradores (2005) fueron más allá y propusieron un umbral de 3.46 mW/m2 (Kazantzidis y col., 2008). 5.3.2 Índice de vitamina D Al igual que para las Irradiancias eritémica y de daño al ADN, se calcularon la irradiancia y el índice de síntesis de vitamina D (figura 25). 22
Figura 25. Idem figura 13 para la acción biológica de daño al ADN. El Indice de síntesis de vitamina D (Figura 25) se obtuvo aplicando la siguiente fórmula: = 40 ∙ donde Ivit D es el valor de la irradiancia de síntesis de vitamina D, en unidades de W/m2. En la figura 26 está representada la variación a lo largo de los días consecutivos del año, para el índice de vitamina D, siendo su comportamiento similar al del Indice UV (figura 23), pero con ciertas variaciones (ver figura comparativa 27). Figura 26. Idem Figura 13, para síntesis de vitamina D. 23
Figura 27: Izquierda: Evolución de las irradiancias de acción biológica de daño al ADN, eritema y síntesis de vitamina D calculadas para la ciudad de Rosario, Argentina, al mediodía solar. Derecha: Idem para los Indices correspondientes. La Figura 27 incluye a las 3 irradiancias de acción biológica consideradas (eritema, daño al ADN y síntesis de vitamina D), observándose que su variación es similar, con máximo en diciembre-enero y mínimo en junio- julio, siendo más fuertemente variable la de daño al ADN que las otras dos, por su mayor dependencia a las longitudes de onda cortas (menores a unos 310 nm). 5.3.3 Tiempo de exposición para síntesis de vitamina D Para el cálculo de los tiempos de exposición a la radiación UV solar tanto para síntesis de vitamina D como para producción de eritema, Ola Engelsen (2005) desarrolló una herramienta práctica y accesible. Dicha herramienta consiste en un programa de computación accesible a través de la página web http://nadir.nilu.no/~olaeng/fastrt/fastrt.html, donde se ingresan una serie de parámetros necesarios para el cálculo de la irradiancia solar UV del día analizado (mes y día, latitud y longitud del lugar, el estado del cielo, contenido de ozono y altitud de la superficie terrestre del lugar) y las características de la piel (fototipo de piel y porcentaje de superficie corporal expuesto). El programa computacional calcula las irradiancias solares a nivel de la superficie terrestre y las dosis diarias UV de diferentes tipos de rango y efecto biológico (UVA, UVB, eritema, vitamina D, daño al ADN, etc) en base al programa FastRT. Según esta autora, el programa FastRT es una simulación precisa de la radiación UV que calcula las dosis UV superficiales, los índices UV y las irradiancias en el rango espectral de 290 24
a 400 nm con una resolución en longitud de onda tan pequeña como 0,05 nm. Los cálculos se realizan definiendo una dosis estándar de Vitamina D (SDD, por su sigla en inglés) que corresponde a la radiación UV equivalente a una dosis oral de vitamina D de 1000 UI, recomendada para ganar todos los posibles beneficios saludables de la vitamina D (Holick, 2004). En base a la ecuación de Holick (2004), que recomienda una exposición de un cuarto de DEM personal en un 25% del área de la piel (manos, cara y brazos), Engelsen estimó la radiación UV-equivalente. Las personas con piel más oscura, requerirán dosis UV más grandes para alcanzar los mismos efectos. El nivel de sangre sérica recomendada está en debate (Dawson-Hughes y colab, 2005), pero 30 ng/mL es lo más recomendado. Los estudios clínicos encontraron que unos 550 a 1000 UI de vitamina D por día mantienen niveles de sangre de 30 ng/mL (75 nmol/L). Además, para validar la fracción del cuerpo que es expuesta al Sol se consideran, según lo sugiere Engelsen, las cartas de Lund y Browder para quemaduras de piel que proveen el porcentaje de cada parte del cuerpo respecto del área total: cara 3.5%; nuca 2%; tronco 26%, manos 6%, brazos 14%, piernas 14% y muslos 18%. Para la ciudad de Rosario, con el programa FastRT, ingresando los datos de ozono promediados de 2005-2011, de la base de datos del OMI/AURA/NASA, y fototipo de piel 3, se calcularon los tiempos de exposición para vitamina D y eritema, presentados en la figura 28, considerando la situación de mediodía solar con cielo claro (sin nubes). En la misma puede observarse como varían los tiempos de exposición conforme a cada estación, siendo mayores los tiempos de mediados de año (fin de otoño y principios de invierno en Rosario, Argentina), acentuado en los meses de mayo a agosto. 25
Figura 28. Evolución de los tiempos de exposición al Sol requeridos para producción de vitamina D (azul) y eritema (rojo) cutáneos en base al programa desarrollado por Engelsen (2005), en días de cielo claro, en Rosario, Argentina y su región. Este tipo de evolución se debe a que a grandes ángulos cenitales de ubicación del Sol en el cielo (en el periodo anual antes considerado de fin de otoño y principios de invierno), ocurre mayor atenuación de la irradiancia UV para vitamina D que la irradiancia UV para eritema, debido al filtro que produce el ozono. Esto se debe a que el espectro de síntesis de vitamina D tiene gran contribución del UVB y casi nula del UVA, mientras la irradiancia UV solar de acción eritémica tiene componentes tanto UVB como UVA (aunque esta última en menor medida que el UVB) (Olds y Kimlin, 2006). Ante la necesidad de que el público en general tuviera una forma fácil para determinar el riesgo solar cuando fuera necesario, uno de los autores del presente capítulo (Piacentini, 1999) acuñó la frase “sombra corta, riesgo alto”, dando información a través de la sombra proyectada por una persona en posición vertical o un objeto, sobre la posición del Sol en el cielo en cada momento del día, sin que la persona necesite tener conocimientos astronómicos ni tampoco de la diferencia entre hora oficial y hora solar, para conocer el riesgo solar. La segunda regla acuñada para quienes deseen exponerse al Sol, fue la de “tomar Sol a la sombra (de árboles, aleros, sombrillas, etc)”, implicando que en el periodo de fin de primavera y verano, es posible llegar al bronceado, si bien con mayor tiempo de exposición, pero sin las consecuencias de una exposición directa a la radiación solar, sobre todo en horas donde el Sol se encuentra cerca del cenit del lugar, en lashoras alrededor del mediodía solar y su intensidad es muy alta o aún extrema en regiones de altura o tropicales. Aplicando estas dos reglas prácticas, se 26
puede lograr que la incidencia de radiación solar no sobrepase la DEM (dosis eritémica mínima) y por otro lado, satisfaga la necesidad de síntesis de vitamina D por exposición al Sol. Con respecto a estas reglas, un análisis interesante fue realizado por Turnbull y Parisi (2008) donde en lugar de considerar la radiación UV total sobre superficie terrestre, analizaron la radiación difusa (que es la componente solar que llega a la piel en una dirección distinta de la que determina la posición del Sol en el cielo, por reflexión en superficies tales como suelo, paredes, nubes, atmósfera, etc. Su estudio consistió en determinar los tiempos de exposición a la radiación UV solar difusa para recibir las exposiciones de UV de 1/6 y 1/3 DEM (según directrices australianas) para un ángulo cenital solar cambiante, con el fin de evaluar el posible papel de las exposiciones UV difusas eficaces para lograr la síntesis de vitamina D3, en la norte de Australia, similar a la zona Norte de Argentina no andina de igual latitud. Figura 29. Tiempos de exposición (en minutos) Para este fin, midieron la radiación difusa y para un 1/3 DEM de global UV de acción eritémica en intervalos radiación UV difusa en de cinco minutos durante un período de función del ángulo cenital doce meses, con un rango de ángulo con diferentes porcentajes cenital solarde 4 ° a 80° a la latitud de de nubosidad, en el norte Toowoomba, Australia (27.6 °S, 151.9 °E, de Australia. Arriba: Cielo 693 m sobre el nivel del mar). despejado. Medio: 80% de nubosidad. Abajo: 85 a Encontraron que para exposiciones UV 100% de cobertura nubosa. difusas de 1/6 y 1/3 DEM, a ángulos (Turnbull y Parisi, 2008) cenitales menores que 60 ° y 50 ° respectivamente se pueden acumular esta dosis, con tiempos de exposición de menos de 10 minutos (Figura 29). Las medidas de la radiación solar espectral (en función de la longitud de onda de la radiación incidente) mostraron que, para un ángulo cenital solar de 40°, el componente difuso de la radiación UVA solar se reduce en aproximadamente un 62% en comparación con la UVA global, mientras 27
que el rango UV para vitamina D3 sólo se reduce aproximadamente un 43 %. Figura 30. Idem figura 28 pero con 50% de nubosidad. Además, encontraron que en ciertas latitudes, la radiación UV difusa por efecto de la sombra aún puede suministrar al cuerpo humano los niveles adecuados para la producción de vitamina D3 (290-330 nm), sin causar los daños producidos por altos niveles de radiación UVA observados cuando la exposición es bajo el Sol directamente. Un análisis similar se realizó utilizando el programa FastRT para calcular el tiempo de exposición solar en forma similar a lo que se presentó en la figura 28, pero ahora considerando un 50% de nubosidad y para la ciudad de Rosario (ver Figura 30). Calculando la diferencia porcentual de aumento de tiempo de exposición cuando la persona se expone un día con 50% de nubosidad respecto a un día de cielo claro, en ambos casos el tiempo aumenta alrededor de un 127% (ver figura 31). 28
Figura 31. Gráfica de los tiempos de exposición para cielo claro y con 50% de nubosidad para la radiación UV de eritema y vitamina D en días de cielo claro de Rosario, Argentina. Se concluye que la protección que puede ofrecer un 50% de cubierta de nubes (mientras sean suficientemente espesas), extiende significativamente el tiempo de permanencia al exterior, pero aún es factible de fijar suficiente vitamina D. 5.4 Variación temporal de las irradiancias de acciones biológicas 29
Figura 32. Irradiancias espectrales de efecto biológico sobre la piel para diferentes días del año. Superior: Daño al ADN. Medio: Eritema. Inferior: Síntesis de vitamina D. Es importante conocer como varían las diferentes irradiancias de acciones biológicas a lo largo de las horas del día de diferentes épocas del año. En la figura 32, se presentan las 3 irradiancias consideradas en el presente Capítulo (eritémica, de daño al ADN y de síntesis de vitamina D en piel), empleando datos de irradiancia espectral solar UV medidos en Rosario, tal como se menciona en el ítem 4.1. Se observa que en todos los días analizados el máximo se da entre los 305 nm y 310 nm y que en los días invernales (1 de Agosto y 12 de Setiembre), la contribución de la región de longitudes de onda menores que 300 nm es casi nula, por la acción atenuadora de la capa de ozono, que debe ser recorrida en mayor distancia que en el resto del año por los fotones UV solares. 30
6. Dosis diarias UV solares y sus relaciones También se calcularon las dosis UV de acciones biológicas: eritema, daño al ADN y síntesis de vitamina D para cada momento del año y fototipo 3. En la figura 33 se presentan dichas dosis y en la figura 34 las relaciones entre estas dosis y la dosis para eritema, con el fin de poder determinar las primeras en base a las mediciones (frecuentes en diferentes instituciones del mundo) de la última. Como puede verse, no existe un solo valor en las relaciones sino que dicha relación varía a lo largo del año, implicando que no se puede computar el efecto de síntesis de vitamina D y daño al ADN considerando sólo la dosis eritémica, multiplicada por un simple factor. Figura 33. Dosis UV para efectos biológicos: eritema, daño al ADN y síntesis de vitamina D Además, puede verse que para cada momento del año para un fototipo la estación del año influye 3, en Rosario. fuertemente tanto sobre las dosis como a las relaciones entre ellas. Es de señalar que, en forma similar a lo propuesto por Piacentini (1995), en la publicación realizada en Actualizaciones Terapéuticas Dermatológicas, es posible obtener una curva que surja de dividir (relacionar) las irradiancias biológicas, respecto de la eritémica. Figura 33. Relaciones entre dosis de vitamina D y la dosis eritémica y entre dosis de daño de ADN y dosis eritémica 31
En la figura 34 se aplicó el mismo concepto para relacionar las dosis antes consignadas (de daño al ADN y de síntesis de vitamina D), eritémica, del siguiente modo: = ∙ ! é" # Figura 34. Dosis UV de daño al ADN y de síntesis de vitamina D en función de la dosis UV eritémica para Rosario, Argentina. En la figura 34 se presenta la dosis diaria de daño al ADN y la dosis diaria de síntesis de vitamina D en función de la dosis diaria eritémica, mostrando una relación lineal entre las mismas. Puede verse que en el caso de la dosis de síntesis de vitamina D en función de la dosis eritémica se trata de una relación lineal, cuya relación es aproximadamente igual a 2. Las relaciones obtenidas para Rosario, pueden describirse matemáticamente por las siguientes rectas: DvitD = -561,364 + Derit * 2,02936 ; R2 adj = 0,99962 Ddaño ADN = -394,487 +Derit * 0,68976; R2 adj = 0,9951 donde el término Radj2 mide la alta calidad del ajuste (muy cercano al valor perfecto, que es 1). Puede observarse que a igual variación de la dosis eritémica, la variación de la dosis de síntesis de vitamina D es mayor (mayor pendiente) que la del daño al ADN. 7. Aumento de las irradiancias solares de acción biológica en las últimas décadas Una respuesta a la pregunta frecuente de cuanto ha aumentado la intensidad solar de acción biológica sobre la piel, ha sido dada por J Herman (2010) del GSFC/NASA y la Universidad de Maryland, EUA. En la 32
figura 35, está representada la variación porcentual de las irradiancias solares de acciones biológicas de daño al ADN, fijación de vitamina D y eritémica en 3 décadas (1979-2008), en función de la latitud terrestre, lo cual permite estimar dicha variación en diferentes regiones de latitudes altas, medias y bajas (o tropicales). En particular, están detalladas las variaciones por daño al ADN a la latitud de Ushuaia (18%), Buenos Aires (10%), Quito (0%) y ciudad de México (3%), observándose la mayor diferencia relativa porcentual en la zona austral (cercanas al agujero de ozono antártico) y prácticamente ninguna variación en la zona tropical, debido a que el ozono tampoco se modificó significativamente en esta región de bajas latitudes (WMO, 2006). Para comparar, están representadas las irradiancias espectrales solares para determinadas longitudes de onda del rango UV: 305, 308 y 310 nm. Figura 35. Variación porcentual en función de la latitud terrestre, de las irradiancias solares de acciones biológicas de daño al ADN (ADN), fijación de vitamina D (VIT) y eritémica (ERIT) en 3 décadas (1979- 2008). Están indicadas las variaciones por daño al ADN a las latitudes de Ushuaia, Buenos Aires, Quito y ciudad de México. Para comparar, están representadas también las irradiancias espectrales solares para determinadas longitudes de onda del rango UV: 305, 308 y 310 nm (Adaptada de J Herman, 2010). 33
8. Radiación UV solar, temperatura ambiente (cambio climático) y cáncer de piel En un trabajo sobre Climate Change and human skin cancer (Cambio climático y cáncer de piel en humanos) publicado en Photochemical and Photobiological Sciences, van der Leun, Piacentiniy de Gruijl (2008) demostraron, con extensa documentación estadística producida por Scotto y colaboradores (1983) a partir de las Campañas Nacionales de Cáncer de piel de Estados Unidos, que en regiones que recibían una intensidad de radiación solar UV similar pero que tenían diferentes temperaturas promedio de verano, las regiones más cálidas mostraban un mayor número de cánceres espino-celulares y de cánceres baso-celulares, que las menos cálidas. En la figura 36 está representada la variación de la temperatura ambiente durante el presente siglo, considerando comportamiento de la Sociedad optimista (si se tienen en cuenta el uso eficiente de la energía y los materiales, el reemplazo de combustibles fósiles por fuentes renovables de energía, la reducción de la deforestación y el cuidado del suelo, entre otras medidas) y pesimista (sin tomar las medidas antes descriptas, incrementar el consumo y con crecimiento acelerado de la población mundial) (IPCC,2013; Salum, Cañarte y Figura 36. Variación de la Piacentini, 2012). temperatura ambiente durante el presente siglo considerando Considerando los aumentos de comportamientos de la sociedad temperatura optimista y pesimista optimista (línea azul) y pesimista descriptos anteriormente, en la (línea roja). figura 37 se presenta el porcentaje de incremento del cáncer de piel espino-celular, debido al Calentamiento global del planeta, que es de 5.5 % por cada °C de aumento de temperatura ambiente (van der Leun, de Gruijl y Piacentini, 2008). 34
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