Extracto
La predicción del riesgo de cáncer inducido por la radiación espacial lleva a grandes incertidumbres con dos de las mayores incertidumbres que son de calidad radiación y de las tasas de dosis efectos. En los modelos de riesgo la relación entre el factor de calidad (QF) para el factor de eficacia de reducción de tasa de dosis dosis y (DDREF) parámetro se utiliza para escalar dosis a los órganos de protones de rayos cósmicos y de alta carga y energía (HZE) partículas a una tasa de riesgo de γ rayos derivan de los datos epidemiológicos humanos. En trabajos anteriores, pista de partículas conceptos de estructura se utilizaron para formular una función de la radiación espacial QF que depende de la cantidad de partículas de carga Z, y la energía cinética por unidad de masa atómica, incertidumbres E. QF donde representados por funciones de distribución de probabilidades subjetivas (PDF) para la QF tres parámetros que describen sus parámetros máximos de valor y forma de Z y e dependencias. Aquí informo en un análisis de un parámetro de máxima QF y sus datos de inducción de tumores de ratón de incertidumbre utilizando. Dado que los datos experimentales para los riesgos con dosis bajas de rayos gamma son muy inciertos, que afecta a las estimaciones de los valores máximos de la eficacia biológica relativa (RBE
max), he desarrollado un modelo QF alternativo, que se denota QF
γAcute donde se definen los cuartos de final en relación con las dosis de rayos γ superior agudas (0,5 a 3 Gy). El modelo alternativo reduce la dependencia de las proyecciones de riesgo en la DDREF, sin embargo, todavía se necesita un DDREF para las estimaciones de riesgo de protones de alta energía y otros componentes de la radiación del espacio escasamente ionizantes primarios o secundarios. proyecciones de riesgo (niveles superiores de confianza (CL)) para misiones espaciales muestran una reducción de aproximadamente 40% (CL~50%) utilizando el QF
modelo γAcute comparó los cuartos de final en base a RBE
max y alrededor del 25% (CL ~ 35%) en comparación con las estimaciones previas. Además, discuto cómo una posible diferencia cualitativa que conduce a una mayor letalidad del tumor para partículas HZE en comparación con los tumores de baja radiación LET y de fondo sigue siendo una gran incertidumbre en las estimaciones de riesgo
Visto:. Cucinotta FA (2015) Un nuevo enfoque reducir la incertidumbre de las predicciones de riesgo del cáncer de la radiación espacial. PLoS ONE 10 (3): e0120717. doi: 10.1371 /journal.pone.0120717
Editor Académico: Paul Jaak Janssen, Bélgica Centro de Investigación Nuclear de SCK • CEN, BÉLGICA
Recibido: 6 de Noviembre de 2014; Aceptado: 26 Enero 2015; Publicado: 19 Marzo 2015
Copyright: © 2015 Francis A. Cucinotta. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la licencia Creative Commons Attribution License, que permite el uso ilimitado, distribución y reproducción en cualquier medio, siempre que el autor original y la fuente se acreditan
Disponibilidad de datos: Todos los datos relevantes están dentro del papel
Financiación:. la Universidad de Nevada, las Vegas y el Departamento de Energía parcialmente financiado este estudio. Los donantes no tenía papel en el diseño del estudio, la recogida y análisis de datos, decisión a publicar, o la preparación del manuscrito
Conflicto de intereses:.. Los autores han declarado que no existen intereses en competencia
Introducción
fatales riesgos de cáncer son una preocupación para los astronautas en misiones de exploración espacial a largo plazo debido a la exposición a los rayos cósmicos galácticos (GCR) y la radiación en los que predomine de protones de alta energía, alta energía y la carga secundaria ( HZE) núcleos y los neutrones, y los posibles eventos de partículas solares (ECE) -comprised en gran medida de bajo a mediano protones energéticos. La NASA ha seguido las recomendaciones del Consejo Nacional de Protección y Medición de Radiación (NCRP) para establecer los límites de dosis de radiación [1, 2]. Las incertidumbres en la estimación de riesgos de la radiación espacial han sido reconocidos por varios informes de la NCRP [1-4] y el Consejo Nacional de Investigación (NRC) [5-7]. La incertidumbre se debe en gran parte a la falta de información sobre la radiobiología de partículas HZE que producen tanto las diferencias cuantitativas y cualitativas en los efectos biológicos en comparación con los rayos gamma o rayos x, y para el cual no hay datos humanos disponibles. Esta incertidumbre llevó a la NCRP para recomendar que los métodos utilizados para las misiones espaciales en órbita terrestre baja (LEO) no son de suficiente precisión para la exposición a largo plazo (& gt; 30 d) de GCR [2]. A la vista de los obstáculos de grandes incertidumbres radiobiológicas mientras que necesitan para apoyar las misiones actuales y futuras de planificación de la misión, la NASA desarrolló un enfoque para estimar los intervalos de confianza del 95% en las estimaciones de riesgo de cáncer utilizando métodos desarrollados por el NCRP de baja radiación LET [8] que se extendió a las exposiciones a la radiación espacial [9-11]. Este enfoque sirvió de base para los límites de dosis de radiación actuales de la NASA [12] y fue apoyada por una revisión de la NRC [6, 7].
Dos de las mayores incertidumbres para las estimaciones de riesgo de radiación del espacio son el factor de calidad de la radiación ( ) función QF y el factor de reducción de la tasa de dosis dosis y eficacia (DDREF). En un reciente informe de partículas descripciones superestructura de la vía de deposición de energía microscópica se utilizó para desarrollar un nuevo QF radiación espacial [10], lo que condujo a mejoras [6] sobre la transferencia de energía lineal anterior (LET) dependientes cuartos de final [2]. Otras incertidumbres más pequeñas incluyen las relacionadas con entornos de radiación espacio y evaluaciones de dosis de órganos, datos epidemiológicos, y la extrapolación de estos datos a una población modelo. Además, existen incertidumbres relacionadas con las suposiciones hechas dentro del modelo. Los dos más crítico de estos parece ser el uso de un modelo de respuesta lineal a la dosis, la que se oponen las observaciones de los efectos no dirigidos (NTE) a dosis bajas para la radiación de alta LET [13-15], y la suposición implícita de que la alta LET tumores inducidos por la radiación son de letalidad similar a la baja LET inducido o tumores fondo [16]. Otras consideraciones incluyen riesgos no cancerígenos que podrían aumentar el riesgo de exposición inducida por la muerte (Reid), incluyendo las estimaciones finales de los efectos relacionados con enfermedades del sistema nervioso y circulatorio centrales [3,11,17], y el desarrollo de enfoques para la evaluación del riesgo basada individuo [ ,,,0],18].
las estimaciones de la eficacia biológica relativa máxima (RBE
max) definido por la proporción de las pendientes lineales inicial determinada a baja dosis y tasa de dosis para las partículas de los rayos gamma se usan en la protección de la radiación de asignar valores de cuartos de final. El QF multiplica la dosis absorbida específica de órganos para definir una dosis equivalente de órganos para partículas con relación a una radiación de referencia, que es de los rayos gamma
60Co. Los valores de RBE
max dependen de la radiación de referencia utilizado y sus respuestas a baja dosis y de las tasas altamente. Los grandes valores de RBE
max se encuentran en muchos experimentos se pueden atribuir en parte a la ineficacia de dosis bajas o bajas dosis-tasas de rayos gamma. Además, no todos los experimentos se han utilizado ya sea de dosis bajas tasas (& lt; 0,1 Gy /hr) o dosis bajas (& lt; 0,25 Gy) de los rayos gamma que excluyen por lo tanto RBE
estimaciones max. Un modelo de respuesta a la dosis lineal-cuadrática puede estar en forma para aguda de rayos γ datos experimentales para la inducción de tumores si se considera una gama suficiente de dosis, lo que permite una estimación de RBE
max asumiendo la componente lineal representa la tasa de dosis baja respuesta. Sin embargo, esto introduce una incertidumbre adicional debido a posibles diferencias en las pendientes lineales derivados de aguda en comparación con los experimentos de baja tasa de dosis.
alta radiación LET muestra generalmente una pequeña o ninguna dependencia de frecuencia de dosis en contraste con baja radiación LET donde -baja tasa de dosis puede reducir significativamente los efectos. Para considerar los riesgos derivados de la exposición de la fisión de neutrones, Edwards [19] discutido el uso directo de la RBE de dosis más altas y tasas de dosis-evitando así el uso de datos de baja tasa de dosis de rayos gamma y sus incertidumbres asociadas. La radiación espacial es una mezcla complicada de radiación de alta y baja LET y la descripción de los modificadores de tasa de dosis no se puede evitar por completo. En este trabajo se desarrolla un nuevo modelo de QF de la cual interpola con eficacia el QF entre el caso de alta LET donde la falta de un efecto de tasa de dosis se puede suponer razonablemente que el caso de baja LET donde un DDREF se debe aplicar. Mi enfoque se basa en la forma funcional de la NASA QF que se basa en un modelo de estructura de la vía paramétrica [6, 20] que divide efectivamente una pista de partículas entre las regiones de alta y baja densidad de ionización.
Para la radiación de alta LET se espera que la respuesta a la dosis para la inducción de tumor a ser lineal en el intervalo de dosis de aproximadamente 0,1 a 0,4 Gy con poca dependencia de la tasa de dosis, especialmente en dosis más bajas [21-30], sin embargo observaron respuestas de dosis tumorales a menudo muestran una curvatura hacia abajo, como aumentar la dosis. Además, existe la posibilidad de respuestas supra-lineal con las dosis más relevantes (& lt; 0,1 Gy) debido a los efectos que no son objeto [13]. A los efectos de este informe voy a asumir un modelo de respuesta a la dosis lineal a alta let es aproximadamente correcta para las estimaciones de la RBE, e ignorar la posibilidad de una respuesta no lineal a dosis bajas.
Un segundo aspecto de la nueva trabajo actual consiste en utilizar el método de máxima verosimilitud para estimar la incertidumbre en un parámetro clave en el modelo de la NASA QF, que se denota como la relación Σ
0 /
α
γ
, que está relacionado con el valor QF más grande que se produce por cualquier partícula mono-energética de número atómico, Z y la energía cinética por nucleón, E. Este enfoque revisado evita la estimación subjetiva anterior [10], que se basó en parte en los puntos finales en modelos de cultivo celular, que probablemente deficiente en la representación de riesgo de cáncer. No se encontraron riesgos de leucemia que sea mucho menor en comparación con los cánceres sólidos para la radiación de alta LET en los informes anteriores [6, 10]. El enfoque anterior [10] a las estimaciones del riesgo de leucemia será seguido en el presente documento. Otra novedad es el uso de las funciones de distribución de probabilidad (PDF) para la incertidumbre en el parámetro DDREF basado en el enfoque bayesiano usando el Informe BEIR VII en el PDF para la Duración de la vida Estudio japonés (LSS) combinado con los valores DDREF del mismo tumor de ratón estudios de inducción que se utilizan para las estimaciones de QF. Este enfoque es vista como superior en comparación con el uso de conjuntos de datos sin igual, debido a la posible correlación entre RBE y estimaciones DDREF. Esta nueva estimación se utiliza para actualizar el modelo NSCR-2012, que se denota como NSCR-2014, así como comparaciones de los diferentes aproximaciones realizadas por misiones espaciales a largo plazo cerca del mínimo solar. El modelo QF basado en respuestas a las dosis de rayos γ agudos para la inducción de tumores sólidos denotado, QF
γAcute ha demostrado reducir los intervalos de confianza superiores de las predicciones de riesgo de las misiones espaciales alrededor de un 50% en comparación con QF de base en RBE
máx.
Métodos
Riesgo de cáncer de proyección Modelo
las tasas de incidencia de cáncer o mortalidad instantáneos, λ
I y λ
M, respectivamente, se modela como funciones de la tejido promedió dosis absorbida
D
T
, o tasa de dosis
D
Tr
, sexo, edad a la exposición
a
e
, y la edad alcanzada
a
o latencia
L
, que es el tiempo después de la exposición
L = aa
E
. El λ
I (o λ
M) es una suma sobre las tasas para cada tejido que contribuyen al riesgo de cáncer, λ
TI (o λ
MT). Estas dependencias varían para cada tipo de cáncer que podrían ser aumentado por exposición a la radiación. El riesgo total de cáncer inducido por la exposición (REIC) se calcula mediante el plegado de la incidencia del cáncer de tasa de radiación instantánea con la probabilidad de sobrevivir en cuando
t
, que viene dada por la función de supervivencia
S
0
(t) Opiniones de los tiempos de población fondo la probabilidad de muerte por cáncer de la radiación en el momento anterior, sumando más de una o más de las misiones espaciales exposiciones, y luego integrando sobre el resto de toda la vida [16, 29] :( 1), donde z es la variable de integración maniquí. En la ecuación (1), N
m es el número de misiones (exposiciones), y para cada exposición, j, hay una latencia mínima de 5 años para los cánceres sólidos, y de 2 años para la leucemia asumidos. Tejido estimaciones REIC específicas son similares a la ecuación (1) con el único término de λ
I de interés. La ecuación para REID estima es similar a la ecuación (1) con la tasa de incidencia sustituida por la tasa de mortalidad (se define a continuación).
Después del ajuste de dosis baja y dosis-tarifas a través de la introducción de la dosis y de la tasa factor de eficacia (DDREF) y la calidad de la radiación a través de la QF radiación espacial, la tasa de incidencia de cáncer de tejidos específicos de un órgano absorbidos dosis,
D
T
, se escribe como una ponderada promedio del aditivo y multiplicativo modelos de transferencia, que se denota como un modelo de mezcla: (2) donde
v
T
es el modelo de transferencia de peso específico de tejido,
λ
0IT
es la tasa de incidencia de cáncer de tejidos específicos de la población de referencia, y donde
ERR
T
y
EAR
T ¿Cuáles son específicos exceso de riesgo relativo y el exceso de riesgo aditivo por Sievert, respectivamente, que se describen en otros informes [29-31].
las tasas específicas de tejido del tejido para la mortalidad por cáncer de
λ
MT
se modelan después del informe BEIR VII [30] por lo que la tasa de incidencia de la ecuación (2) es escalado por la edad, el sexo y los tejidos específicos relación de las tasas de mortalidad de incidencia en la población objeto de estudio: (3)
las tasas de cáncer de Estados Unidos a partir de 2011 como el representado por el software DEVCAN (Versión 6.7.2) disponible en el Centro de control de Enfermedades (CDC) se utilizan en el presente informe [32]. DEVCAN proporciona datos sobre la edad, el sexo y la incidencia específica de tejido y de mortalidad a edades 95+, lo que mejora en la extrapolación de las tasas de cáncer a edades más avanzadas (& gt; 85 y) utilizada en el modelo NSCR-2012 [10]. Las tasas de cáncer de diferentes razas están disponibles como se considera en un informe anterior [10]. Aquí hemos utilizado las tasas medias de los Estados Unidos de DEVCAN [32]
Radiación Espacial de órganos dosis equivalente
Considero que la función QF dividido por el DDREF como siendo maquillada de dos términos:. (4 )
en la Ecuación (4) Q
alta y Q
baja representar más o menos las contribuciones de una pista de partículas que actúan en alta densidad (núcleo pista) o modos de baja densidad (pista de penumbra), respectivamente, con los parámetros de radiosensibilidad describen a continuación la definición de estas contribuciones relativas. Los electrones secundarios producidos por ionización denotados como rayos delta contribuyen en ambas regiones de una pista de partículas. Sin embargo deposición de energía en objetivos bimoleculares por Casa rayos delta de energía más alta (& gt; 10 keV) son más típicas de la parte de baja densidad de la pista, mientras que múltiples rayos delta de menor energía, junto con la propia partícula interactúan con objetivos biomoleculares en la región de alta densidad de la pista cerca de la ruta partículas (& lt; 100 nm). δ-rayas en la penumbra pueden extenderse lateralmente desde hace muchos micras de una HZE partículas camino. Estas funciones son (5) y (6), donde la relación Σ
0 /
α
γ
se utiliza como un único parámetro, y la función originaria de la paramétrica modelo de Katz [20] está dada por, España (7)
El segundo producto en la ecuación (7) representa un llamado corrección fina hacia abajo para las partículas de baja energía (E & lt; 1 MeV /u) [10 ]. El QF radiación espacial depende de dos parámetros físicos: Número de carga de la partícula, Z y la energía cinética por unidad de masa atómica, E. Sin embargo, un parámetro clave que describe la densidad de una pista de partículas es Z *
2 /β
2, en la que Z * es el número de carga efectiva [33] de una partícula y β es la velocidad de la partícula reducido a la velocidad de la luz, se utiliza para simplificar la descripción [10].
En el NSCR-2012 se utilizó el modelo de factores de calidad diferentes para la estimación de cáncer y leucemia riesgo sólido [10]. A DDREF no se utiliza en la ecuación (2) para las estimaciones de riesgo de la leucemia y en su lugar se utiliza el componente lineal de un modelo de respuesta a la dosis ajuste lineal-cuadrática a los datos de la epidemiología de rayos γ humano. Los parámetros del modelo (Σ
0 /
α
γ
, E
TD,
m
, y
Κ
) que aparece en la Tabla 1 se estiman basándose en estimaciones subjetivas de los resultados de experimentos radiobiología [10].
*
La alternativa QF introduce aquí es hacer una evaluación de los cuartos de final en base a la RBE determinado a partir de los datos de partículas dosis y tasa de dosis baja en relación con aguda de rayos γ a partir de experimentos de dosis de aproximadamente 0,5 a 3 Gy denotados como RBE
γAcute que fue sugerida por Edwards [19]. Este enfoque elimina la necesidad de tener en cuenta los experimentos bajas de rayos γ-tasa de dosis para las estimaciones de la RBE, sin embargo para la baja LET partículas de un DDREF todavía está justificado debido a su menor eficacia esperada en dosis bajas tasas en comparación con las exposiciones de rayos γ aguda a dosis más altas . El QF alternativa se escribe: (8) Cuando utiliza una estimación de parámetros para Σ
0 /
α
γ
basado en estimaciones de RBE
γAcute como se ha descrito arriba en lugar de RBE
max. El supuesto clave del nuevo modelo dado por la ecuación (8) es que la parte de baja densidad de ionización de una pista de partículas se ve influenciada por los efectos del tipo de dosis según lo representado por el primer término del lado derecho de la ecuación (8), mientras que el parte alta densidad de ionización de partículas de una pista no tiene ninguna dependencia de la tasa de dosis como se describe por el segundo término en el lado derecho de la ecuación (8). Los parámetros de la función QF forma,
m
y
Κ
se toman como el mismo que en el modelo NSCR-2012 [10].
Las estimaciones de PDF para Σ
0 /
α
γ Opiniones y DDREF Parámetros
formé una función de distribución acumulativa (CDF) para valores de RBE
max y RBE
γAcute basado en datos experimentales disponibles en ratones [10, 13, 21-25, 27, 28, 36, 37]. A continuación, la CDF se ajusta utilizando los módulos de regresión no lineal en
Sigmaplot 12
.
1