Electrones en la batalla contra el cáncer. Adriana Pliego. En 1896 el físico alemán Conrad Roentgen presentó a la comunidad

Transcripción

1 Electrones en la batalla contra el cáncer Adriana Pliego Lo que no mata, fortalece En 1896 el físico alemán Conrad Roentgen presentó a la comunidad científica un nuevo tipo de rayo. Roetgen lo nombró X, ya que la letra x se utiliza en álgebra para denotar una variable desconocida. Cuando se demostró que la exposición a la radiación X producía quemaduras cutáneas, los médicos comenzaron a utilizarla para tratar crecimientos de tejidos anormales y otras lesiones de la piel. En ese entonces se pensaba que la radiación producía un efecto bactericida en el tejido. También se le atribuyó este efecto antiséptico al radio descubierto por Marie y Pierre Curie en Sin embargo con el aumento del número de pacientes tratados con radiación, se descubrió que la tolerancia a la exposición era menor a lo esperado. De esta manera se hizo evidente que aquello con lo Electrones en la batalla contra el cáncer / CIENCIORAMA 1

2 que se pretendía curar a un paciente podía dañarlo fatalmente. Surgió entonces la necesidad de dosificar la radiación. Al inicio del siglo XX se descubrió que la radiación causa cáncer, pero que también lo cura si se aplica en dosis pequeñas. En ese entonces los médicos utilizaban la piel de sus brazos para evaluar la intensidad de la radiación. Buscaban una reacción rosada parecida a una quemadura por exposición solar. Como era de esperarse, la manera en la que estos pioneros calibraban sus equipos eventualmente les produjo leucemia. En 1922 Claudis Regaud, uno de los primeros radioterapeutas en el mundo y fundador del Instituto Curie, probó que aplicar fracciones de una dosis de radiación era igual de efectivo que aplicarla completa y que esto provoca menos efectos secundarios. A partir de entonces se observó que la radioterapia aliviaba los síntomas de los pacientes. En los 30 años siguientes la industria de la tecnología médica ha estado fabricando generadores de radiación cada vez más potentes y precisos. La artillería pesada Muchos de los tratamientos para combatir el cáncer se aplican con máquinas de diferentes tamaños. La más grande y aparatosa que se utiliza es el acelerador lineal de uso clínico o linac (palabra construida del inglés para acelerador lineal). El cuarto donde este equipo opera se recubre con plomo para impedir el paso de la radiación a los cuartos adyacentes. Este tipo de cuartos se localizan usualmente en la planta más baja de los hospitales debido a su peso. Además, para que operen Electrones en la batalla contra el cáncer / CIENCIORAMA 2

3 adecuadamente deben cumplirse condiciones especiales de temperatura y humedad. Los electrones dentro de un linac ganan energía mediante la interacción con una onda de radiofrecuencia de entre 300 MHertz y 300 GHz, conocida como microonda. Ésta proviene de un campo electromagnético liberado en pulsos por un cañón. Las microondas viajan al aire libre a la velocidad de la luz, pero en un linac lo hacen a través de una guía de onda, donde la velocidad disminuye sustancialmente al inicio para recuperar velocidades cercanas a la de la luz a la salida ( ver figura 1). Los electrones que surgen del cañón se inyectan en la guía al mismo tiempo que se generan pulsos de microondas de 2.85 GHz que los transportan al extremo final de la guía de onda., Figura 1. Diagrama esquemático de un acelerador lineal para radioterapia. Los electrones se inyectan en el cañón mediante un campo electromagnético producido por una fuente de microondas (tomado de 2). El acelerador lineal utiliza tecnología de microondas (similar a la que se usa para el radar) para acelerar los electrones y luego permite que éstos choquen contra un blanco de metal pesado. Como resultado de estos Electrones en la batalla contra el cáncer / CIENCIORAMA 3

4 choques en el blanco se producen rayos X de alta energía, que son moldeados a medida que abandonan la máquina para formar un haz de forma semejante al tumor del paciente. Los electrones de los aceleradores lineales son útiles para tratar tumores a una profundidad de hasta 70 mm en el cuerpo del paciente. El reto para aquellos que diseñan estas máquinas tan complejas, es producir un haz que incida en un punto muy focalizado y que el haz sea estable, de manera que la radiación se delimite al área de la lesión sin involucrar al tejido circundante. La unidad de medida de la energía de los electrones es el electrónvolt (ev), que corresponde a la energía cinética que adquiere un electrón cuando es acelerado por una diferencia de potencial de 1V. Los linacs modernos pueden generar energía de más de 20 MeV (Mega electrón-volt). La cantidad de energía a aplicar en un tratamiento se elige de acuerdo a las características del tumor. Con los linacs también se puede aplicar terapia de fotones. El fotón es la partícula fundamental de la luz visible y de toda la radiación electromagnética. La energía dentro del fotón varía de acuerdo al tipo de radiación emitida. Los fotones de los rayos gama tienen la energía más alta, le siguen los de los rayos X. Cuando el linac trabaja en modalidad de fotón, el haz generado es de radiación X. Para tumores localizados a menos de 70 mm de profundidad, se recomienda el uso de electrones, y los fotones se utilizan para tratar tumores con inserciones más profundas. Electrones en la batalla contra el cáncer / CIENCIORAMA 4

5 Un poco de historia El primer linac de uso clínico comenzó a trabajar en el Hospital Hammersmith, en Londres, en 1953 (figura 2). Su guía de onda era de tres metros de longitud. Se colocó dentro de un tubo horizontal paralelo al paciente, quien permanecía acostado dentro del cuarto blindado. Para que el haz de electrones cayera perpendicular al paciente, era necesario doblar el haz 90º. Es posible dirigir la trayectoria de los haces de electrones por medio de campos electromagnéticos. Figura 2. Maqueta del primer acelerador de electrones del Hospital Hammersmith, Londres, 1953 (tomado de 1). Tan sólo cuatro años después salió a la luz un diseño estadounidense producido en la Universidad de Stanford, California. Este acelerador generaba electrones de hasta seis MeV en una guía de onda de casi la mitad del tamaño del modelo del Reino Unido. En 1962 los hermanos Varian, también de Stanford, utilizaron en su modelo una guía de onda de Electrones en la batalla contra el cáncer / CIENCIORAMA 5

6 30-35 cm de longitud. Esto permitió que la guía de onda se colocara verticalmente y no en horizontal, como hasta entonces lo hacían los ingenieros y físicos del área. La rotación de la guía de onda terminó con la necesidad de doblar el haz de electrones (figura 3). Sin embargo aún se utilizan guías de onda horizontales. Los americanos y los japoneses prefieren el diseño vertical, mientras los británicos, aunque la guía de onda sea pequeña, prefieren colocarla horizontalmente. Figura 3. Guía de onda vertical dentro de un acelerador vertical, tal como la colocaban los Varian (tomado de 1). Colisiones de vida o muerte El verdadero blanco de la colisión son las células madre primitivas que se convirtieron en cancerígenas. Éstas se definen como células con la capacidad de perpetuarse mediante mecanismos de auto renovación Electrones en la batalla contra el cáncer / CIENCIORAMA 6

7 (producción de copias de sí mismas durante un periodo indefinido de tiempo) y de convertirse en células maduras de un tejido particular mediante un proceso que se llama diferenciación. Las células madre cancerígenas son células alteradas con un gran capacidad de proliferación que forman tumores. En condiciones normales las células madre son las responsables de generar los epitelios y las células de la sangre. Los epitelios forman el revestimiento externo e interno de todo el organismo: piel, cavidades, tubo digestivo, hígado, páncreas, vías pulmonares, órganos reproductores, mucosas, etc. Cuando las células madre son clasificadas como malignas, es que algo falla en sus genes y han comenzado a multiplicarse incontrolablemente. En los epitelios la multiplicación desmesurada de células forma tumores y en la sangre los glóbulos blancos traidores cambian la sangre roja y sana por sangre blanca o leucemia. Una vez que los electrones dejan la guía de onda del acelerador, chocan frontalmente con las células cancerosas. Las células dañadas no mueren de inmediato, sino que producen una modesta familia de descendientes incapaces de reproducirse (figura 4 y 5). Electrones en la batalla contra el cáncer / CIENCIORAMA 7

8 Figura 4 y 5. Después de una irradiación de ocho Gy las células pierden su capacidad de reproducirse. El diagrama 1 (izquierda) muestra la descendencia de dos células irradiadas con 8 Gy. En algunos casos, como el de la célula hija (a), la muerte ocurre antes de dividirse (mitosis), en otros, como en las células (b) y (c), se dividen algunas veces antes de morir. También se observa fusión de células, como en los casos (d) y (e). El diagrama 2 (derecha) muestra las divisiones por las que atraviesan las células normalmente. Los electrones del haz del acelerador ionizan el tejido vivo; es decir, liberan electrones de sus átomos. La molécula más abundante en la célula es el agua. El agua ionizada al perder electrones forma los tan estigmatizados radicales libres. Como los radicales libres son moléculas muy inestables, reaccionan con moléculas cercanas y les transfieren inestabilidad química. Todos los componentes de la célula son afectados por esto: proteínas, enzimas y elementos de la membrana celular. A pesar de lo terrible que el daño aparenta ser, no es sustancial, ya que la célula cuenta con todo un sistema dedicado a regenerar lo perdido rápidamente. Sin embargo hay una molécula que no se recupera fácilmente, el ADN. Su molécula en cadena de doble hélice es muy larga y forma los genes que contienen las instrucciones para formar proteínas y para todo lo referente al funcionamiento celular. Aunque los genes siempre van en pares, si alguno de los dos falla, el daño por radiación puede hacer que ambos se modifiquen irreversiblemente o se pierdan. Al perderse un gen, se pierden todas las funciones específicas de las que contenía información, algunas esenciales para la supervivencia. La dosis de radiación absorbida por el tejido vivo se mide en grays (Gy). Un gray es la absorción de un joule de energía en forma de radiación ionizante por kilogramo de materia. Lo anterior quiere decir que Electrones en la batalla contra el cáncer / CIENCIORAMA 8

9 un mismo haz de electrones ionizará más átomos en un kilogramo de tejido vivo que en un kilogramo de aire. Además, no todas las células son igual de sensibles a la radiación; los linfocitos, por ejemplo, mueren antes de poder reproducirse. Por si fuera poco, no solamente es importante la dosis absorbida en el lugar radiado, también influye el tiempo transcurrido entre dos o más radiaciones consecutivas. A la dosificación de la radiación se le conoce como fracciones. Los refuerzos deben llegar a tiempo La dosis de radiación en una terapia se divide en fracciones que pueden incidir en alguna etapa de la vida celular y que se aplican en diferentes tiempos. La vida de una célula se divide fundamentalmente en dos etapas: interfase, cuando no se está reproduciendo, y fase M, cuando se reproduce por división. La interfase, a su vez, se divide en las subetapas G1, S y G2. En las células que crecen en medios de cultivo se ha visto que las que son irradiadas durante la última parte de la fase S son más resistentes que las irradiadas en G2 o durante la fase M. La letra S de la fase se refiere a la palabra síntesis. Durante esta etapa se replica o sintetiza el ADN dentro del núcleo. En cambio, durante G2 la célula se prepara para reproducirse. Es probable que las células sean más sensibles en G2 por el poco tiempo que tienen para auto repararse antes de dividirse (figura 6). Electrones en la batalla contra el cáncer / CIENCIORAMA 9

10 Figura 6. El ciclo celular consiste en las siguientes fases: intervalo (G1 y G2, del inglés gap 1 y gap 2), una fase S (de síntesis), donde se duplica el material genético, y una fase M (de mitosis), donde el material genético se parte y una célula se divide en dos células. Inmediatamente después de recibir una dosis de radiación, algunas células habrán perdido su capacidad para reproducirse, mientras que las sobrevivientes estarán atravesando la fase S. Si se da el tiempo suficiente para que las sobrevivientes pasen de la fase S a otra donde se encuentran más radiosensibles, el efecto de la radiación en ellas es mayor, lo cual incrementa la cantidad de células cancerígenas muertas. Cuanto más oscura es la noche, más cerca está el amanecer Después de 60 años desde la instalación del primer acelerador para uso clínico en Hammersmith, más de 40 millones de pacientes se han tratado Electrones en la batalla contra el cáncer / CIENCIORAMA 10

11 con radioterapia alrededor del mundo. De acuerdo al CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), en los países en desarrollo se detectan 40,000 casos de cáncer por cada 10 millones de habitantes, de los cuales alrededor de la mitad recibirá radioterapia generada por un LINAC. La batalla contra el cáncer aún no está ganada, pero hoy las trincheras las ocupan equipos multidisciplinarios, formados por médicos, físicos e ingenieros. Su colaboración está generando herramientas nuevas y más poderosas para combatirlo, de tal manera que cada día aumenta la probabilidad de sobrevivirlo. No obstante, el arma más poderosa es la prevención. Existen métodos de detección temprana, como la autoexploración para cáncer de mama o la prueba de antígeno prostático, para hombres mayores de 40 años. También es importante conocer las sustancias que lo propician, como el tabaco, el benceno y algunos insecticidas, entre otros, para evitar, al máximo, el contacto con ellas. Se agradecen las sugerencias del M. en C. Guillermo Neumann Coto y del Fis. José Antonio Fragoso Uroza. Referencias electrónicas Electrones en la batalla contra el cáncer / CIENCIORAMA 11

12 Bibliografía 1. P. Mayles, A Nahum y J. C. Rosenwaldm, Handbook of Radiotherapy and Physics: Theory and practice, Taylor & Francis Group, EU, David I Thwaites y John B Tuohy, Back to the future: the history and developement of the clinical linear accelerator, Physics in Medicine and Biology, vol. 51, 2006, R343-R M. Tubiana, J. Dutrix y A. Wambersie, Introduction to Radiobiology, Taylor & Francis Group, EU, Electrones en la batalla contra el cáncer / CIENCIORAMA 12