Fuente: Ciencia Hoy

Ciencia Hoy Volumen 10 Nro. 57 Junio/Julio 2000.

Paralelamente al desarrollo de los aceleradores lineales, los primeros reactores nucleares produjeron radioisótopos artificiales a bajo costo, lo que implicó una revolución tanto en la teleterapia con el desarrollo de las conocidas bombas de cobalto –equipo para aplicación de teleterapia cuya fuente de radiación es una pastilla de cobalto 60– como en la braquiterapia, con la utilización de radioisótopos de vidas medias cortas, o sea que la cantidad de radiación emitida se reduce en poco tiempo; además resultaban más seguros de manipular que el radio. Recordemos que este tiene una vida media de 1622 años –o sea que la cantidad de radiación que emite cae a la mitad en ese lapso– lo cual convierte su almacenamiento seguro en un desafío tecnológico y que, además, al decaer se convierte en otros materiales radiactivos que son, a su vez, peligrosos.

Radioterapia sin Rayos X

Terapia por captura neutrónica en boro (BNCT)

Ya hemos dicho que una terapia ideal para el tratamiento del cáncer es aquella en la que se destruyen las células cancerosas sin afectar el tejido sano. Para que la terapia tenga éxito, se debería eliminar a la mayoría de las células malignas, ya sea mediante el tratamiento en sí o con la ayuda del sistema inmunológico del paciente, de manera de minimizar la probabilidad de que el tumor se regenere a partir de las células malignas sobrevivientes.

Una técnica alternativa de radioterapia, que podría tener ciertas ventajas sobre las formas tradicionales, es la terapia por captura de neutrones en boro. Conceptualmente, la técnica es sencilla: se trata de administrar al paciente una droga, unida al boro-10, un isótopo estable del boro, que se concentre selectivamente en el tumor a tratar. Una vez conseguido esto se irradia al paciente con un haz de neutrones de energías bajas. El boro-10 absorbe fácilmente un neutrón y se convierte en un isótopo inestable, que decae emitiendo una partícula cargada, denominada partícula a. Esta deposita toda su energía en una distancia muy pequeña, es decir dentro de la zona a tratar, y su poder destructivo es muy superior a los electrones, rayos X o protones; el tejido sano –donde la concentración de la droga es muy baja– recibe una dosis muy pequeña, ya que los neutrones, por ser partículas sin carga, interactúan muy poco con el tejido.

Los primeros tratamientos con BNCT se hicieron en el laboratorio Brookhaven, en los Estados Unidos, en 1951. Desde esa época se han desarrollado varios estudios de carácter experimental. Las dificultades mayores que presenta el tratamiento radican en la toxicidad química del boro, y en lograr una droga que deposite a este selectivamente en el tumor.

Desde principios de la década de 1980 se han realizado avances en la síntesis de compuestos de boro, y en los haces de neutrones disponibles que han estimulado el resurgimiento de estudios experimentales de BNCT.

Protonterapia

Como parte de las investigaciones en física nuclear, luego de la finalización de la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron aceleradores de partículas con energías cada vez mayores. La primera propuesta para el uso médico de protones fue hecha en 1946 por el físico Robert Wilson; hacia 1954 se realizó el primer tratamiento utilizando protones de alta energía, provenientes de estos aceleradores. Desde esa época, más de 20.000 pacientes han sido tratados utilizando protones.

La ventaja fundamental de los protones sobre los rayos X, reside en la forma en que depositan su energía en el blanco. Como vimos, los rayos X depositan más energía cerca de la superficie –o sea cerca de la piel–, y luego se van atenuando. Es decir que en general no depositan la mayor parte de su energía en la lesión a tratar, sino antes de llegar a ella. Por este motivo, en general se necesitan varios haces dirigidos desde distintos ángulos para tratar eficientemente un tumor. Por otro lado, tampoco entregan toda la energía que les queda al llegar al tumor, sino que la siguen depositando más allá de este.

Por el contrario, los protones interactúan en forma diferente al atravesar la materia: entregan poca energía al comienzo de su recorrido y, al llegar a un determinado punto, la descargan prácticamente toda en una pequeña región. Modificando las características del haz de protones es posible hacer coincidir esta región con el tumor a tratar. De este modo se puede lograr una buena irradiación del tejido tumoral sin afectar prácticamente el tejido sano circundante, y minimizando de esta manera la posibilidad de efectos no deseados. La desventaja de este tratamiento reside básicamente en su costo, dado que la producción de un haz de protones de energía lo suficientemente alta para utilidad médica solo es posible en la actualidad en grandes aceleradores, reciclados en su mayoría a partir de instalaciones de investigación en física nuclear y de alta energía. Los centros actualmente en funcionamiento son muy pocos; en el hemisferio sur existe solo un centro equipado con protonterapia, ubicado en Sudáfrica. En la actualidad se están realizando avances en el diseño de equipos más compactos que puedan permitir la diseminación de esta técnica.

Calidad y cantidad

Inicialmente se utilizó el concepto de dosis eritémica, es decir la cantidad de radiación necesaria para producir el enrojecimiento de la piel, para estimar la duración de un tratamiento, pero rápidamente se vio la necesidad de contar con métodos y criterios de medición más rigurosos. Por caminos diferentes, tanto en teleterapia como en braquiterapia, se comenzaron a desarrollar tanto técnicas de medición como los equipos necesarios para llevarlas a cabo.

La llamada "calidad" de un haz de rayos X constituye una medida de su poder de penetración, pero no era práctico inferirla a partir de la tensión de aceleración del tubo; era necesario desarrollar un método experimental de determinación. Así en 1901, Benoist desarrolló un "penetrómetro", que consistía en un disco de plata rodeado de un anillo concéntrico de aluminio cuyo espesor variaba en doce escalones alrededor de la circunferencia. Al escalón que producía la misma atenuación que la efectuada por el disco de plata, que se podía determinar fluoroscópica o radiográficamente, se lo hacía corresponder con una determinada calidad del haz.

Por esa época se desarrollaron varios métodos para medir calidad y cantidad de radiación. Uno de los que aún hoy se utiliza se denomina capa hemireductora, que alude al espesor de cobre o aluminio necesarios para reducir la intensidad del haz de rayos X a la mitad. Entre 1914 y 1925, se desarrollaron la cámara de ionización y el contador Geiger, ambos instrumentos utilizados para medir la "cantidad" de rayos X, mientras que paralelamente se comenzaron a establecer las bases para una definición más precisa de las unidades y procedimientos de medición. En 1928, se determinó el roentgen como unidad de medida para los rayos X, y en 1953, la Comisión Internacional de Unidades Radiológicas (ICRU), estableció el rad como medida de la dosis absorbida.

Más recientemente se estableció el Gray como unidad fundamental de dosis absorbida ¿Cómo se mide la radiación?.

Radioterapia

El avance que los campos de la electrónica y de la computación han tenido en la última parte del siglo, ha sido de suma importancia en el desarrollo de equipamientos relacionados con el diagnóstico y tratamiento de pacientes con cáncer. En el área de diagnóstico, el desarrollo y uso de equipos de tomografía computada y de resonancia magnética han permitido determinar con precisión la ubicación de la lesión. Por otra parte, se han logrado desarrollar equipos de tratamiento cada vez más confiables, tanto en lo que respecta al rendimiento en la producción y energía de los rayos X, como en la alineación mecánica de los equipos, lo que permite dirigir con mayor precisión los haces de rayos hacia la lesión.

 

Un aporte latinoamericano

En una foto que publicara The Sunday Star de Washington el 11 de noviembre de 1928 se ve a Merle Tuve, Harry Hafstad y al argentino Enrique Gaviola quienes lograron construir un aparato considerado como el primer antecedente importante de un acelerador de partículas, alcanzando 5 millones de voltios. Por esta razón la foto está expuesta en el Museo de Ciencia y Tecnología de la Smithsonian Institution de Washington DC.

 

El desarrollo de computadoras veloces ha permitido trabajar con complejos algoritmos matemáticos de cálculo tridimensional de distribución de energía. De esta manera es posible obtener en forma precisa la distribución de la energía depositada dentro del cuerpo de cada paciente, resultante de la combinación de los haces de rayos X con que son tratados; son los denominados planificadores de tratamiento.

Estas innovaciones técnicas han tenido un crecimiento particularmente acelerado en los últimos diez años. Han permitido diseñar estrategias de tratamiento cada vez más específicas para cada enfermo, ya que es posible construir en los planificadores de tratamiento una imagen virtual tridimensional del paciente. Se pueden enfocar con suma precisión los haces de radiación dirigidos contra el tumor, modelando la geometría del haz a la forma que presenta el tumor desde distintas orientaciones, preservando la integridad de los tejidos sanos circundantes. Todas estas técnicas son agrupadas en lo que actualmente se conoce con el nombre de Radioterapia Tridimensional Conformada (RTC).

El uso de la RTC ha permitido, en el caso de ciertos tumores localizados, entregar mayor cantidad de dosis y con esto incrementar las probabilidades de curación respecto de las técnicas de radioterapia convencional, o sea las técnicas de irradiación que no utilizan todos estos adelantos técnicos. Esto se logró sin que se produjera un aumento paralelo de las lesiones producidas en los tejidos sanos circundantes; aun en la mayoría de los casos se consigue una reducción de los efectos secundarios sobre los órganos sanos. Un ejemplo típico de esta clase de tratamientos es el de los tumores prostáticos, donde con RTC es posible entregar hasta un 25% más de dosis que con los tratamientos de radioterapia convencional, logrando además una reducción notoria en los efectos secundarios en el recto y la vejiga ¿Qué es la radioterapia tridimensional conformada?. Otros ejemplos de tratamientos con RTC son los tumores primarios de cerebro, pulmón, cabeza y cuello. Una técnica de RTC posibilita el tratamiento de pequeñas lesiones cerebrales benignas por medio de un bastidor especial que se fija directamente en el cráneo del paciente. La adquisición de imágenes de tomografía computada para la planificación del tratamiento es realizada con el bastidor ya instalado y la fuente emisora de rayos X se enfoca respecto del bastidor fijo; de este modo es posible orientar con suma precisión el haz de radiación.

Lecturas sugeridas

Grigg, E.R.N., 1965, The Trail of the Invisible Light: From X-Strahlen to Radiobiology, Thomas, Charles C., Publisher.

Mould, R.F., 1993, A Century of X-Rays and Radioactivity in Medicine, IOP Publishing.



Algunos datos biográficos

Wilhelm Conrad Röntgen

Nació el 27 de marzo de 1845 en Lennep, Alemania. Hijo único de un fabricante y comerciante textil, cuando Wilhelm tenía tres años su familia se mudó a Apeldoorn, en los Países Bajos, donde fue al Instituto de Martinus Herman van Doorn, una escuela de internos. Röntgen poseía una habilidad especial para las invenciones mecánicas, una característica que perduraría a lo largo de su vida. En 1862 ingresó en una escuela técnica en Utrecht, de donde fue expulsado, acusado injustamente de haber realizado una caricatura de uno de los profesores. En 1865 entró en la Universidad de Utrecht para estudiar física. Sin embargo, no logró reunir los requisitos para convertirse en alumno regular, por lo que se trasladó a Zurich y comenzó a estudiar ingeniería mecánica en la Escuela Politécnica.

Allí Kundt y Clausius ejercieron gran influencia en su desarrollo. En 1869 obtuvo su doctorado en la Universidad de Zurich, se convirtió en ayudante de Kundt y fue con él a Würzburg en ese mismo año, y tres años más tarde a Estrasburgo.

En 1874 comenzó su carrera docente en la Universidad de Estrasburgo y se convirtió en profesor en la Academia de Agricultura de Hohenheim en Wurtemberg en 1875. En 1876 volvió a Estrasburgo como profesor de Física, pero tres años después aceptó la invitación a la cátedra de Física en la Universidad de Giessen.

Después de haber rechazado invitaciones a posiciones similares en las universidades de Jena (1886) y Utrecht (1888), aceptó la de la Universidad de Würzburg (1888), donde tuvo como colegas a Helmholtz y Lorenz. En 1899 rechazó una oferta a la cátedra de Física en la Universidad de Leipzig, pero en 1900 aceptó una cátedra en la Universidad de Munich, por demanda especial del gobierno bávaro, como sucesor de E. Lommel. Aquí permanecería por el resto de su vida.

El primer trabajo de Röntgen, publicado en 1870, una investigación sobre el calor específico de los gases, fue seguido unos años después por uno sobre la conductividad térmica de los cristales. Entre otros problemas estudió las características eléctricas del cuarzo, la influencia de la presión en los índices de refracción de varios fluidos y la modificación de los planos de polarización de la luz causada por influencias electromagnéticas.

El nombre de Röntgen, sin embargo, está indisolublemente asociado con el descubrimiento de los rayos X. En numerosos experimentos, Röntgen mostró que estos nuevos rayos eran producidos por el impacto de rayos catódicos en un objeto material. Como su naturaleza era entonces desconocida, les dio el nombre de X. Después, Max von Laue y sus alumnos mostraron que los rayos X son de la misma naturaleza electromagnética que la luz visible, y difieren de esta en la frecuencia, más alta, de su oscilación.

A pesar de todos los honores y distinciones que recibió, Röntgen retuvo la característica de ser un hombre notablemente modesto y reservado aunque amable y atento. Durante toda su vida mantuvo un amor por la naturaleza y las salidas al aire libre. Muchas vacaciones las pasaba en su casa de verano en Weilheim, al pie de los Alpes Bávaros, donde participaba en expediciones de alpinismo, otra de sus pasiones.

Röntgen murió en Munich el 10 de febrero de 1923, de un carcinoma de intestino.

Marie Slodowska-Curie

Nació en Varsovia el 7 de noviembre de 1867, hija de un maestro de enseñanza media. Recibió una educación general en escuelas locales y algo de entrenamiento científico de su padre. Se involucró en una organización revolucionaria estudiantil y consideró prudente dejar Varsovia, que en ese entonces estaba dominada por Rusia, para ir a Cracovia, bajo dominio austríaco. En 1891, fue a París para continuar sus estudios en la Sorbonne donde obtuvo su licenciatura en Ciencias Físicas y Matemáticas. En 1895 se casó con Pierre Curie, profesor en la Escuela de Física. Ella sucedió a su marido como jefe del Laboratorio de las Físicas en la Sorbonne, ganó su grado de doctora en 1903 y, luego de la muerte trágica de Pierre Curie en 1906, accedió a la cátedra de Física General en la Facultad de Ciencias; fue la primera mujer en ocupar ese cargo. También fue directora del Laboratorio de Curie en el Instituto del Radio de la Universidad de París, fundado en 1914. El descubrimiento de la radiactividad por Henri Becquerel en 1896 inspiró a los esposos Curie en sus inteligentes investigaciones y análisis, que los llevaron al aislamiento del polonium –llamado así en honor al país del nacimiento de Marie–, y del radio o radium. Mme. Curie desarrolló métodos para la separación del radio de los residuos radiactivos en cantidades suficientes como para permitir su caracterización y el estudio cuidadoso de sus propiedades, en particular las terapéuticas.

Marie Curie, a lo largo de su vida, promovió el uso del radio activamente para aliviar el sufrimiento y, durante la Primera Guerra Mundial, ayudada por su hija Irene, se consagró personalmente a este trabajo terapéutico. Retuvo su entusiasmo por la ciencia durante toda su vida e hizo mucho para establecer un laboratorio de radiactividad en su ciudad natal. En 1929, el presidente Hoover, de los Estados Unidos, le obsequió $50.000, donados por estadounidenses, para comprar el radio para ser usado en el laboratorio de Varsovia.

La importancia del trabajo de Mme. Curie se refleja en los numerosos premios que recibió. Junto a su marido, se le otorgó el Premio Nobel de Física en 1903, por su estudio en la radiación espontánea descubierta por Becquerel, a quien le fue otorgado la otra mitad del premio. En 1911 ella recibió un segundo Premio Nobel, esta vez en Química, en reconocimiento por su trabajo en radiactividad. Mme. Curie murió en Savoy, Francia, después de una enfermedad corta, el 4 de julio de 1934.

Antoine Henri Becquerel

Nació en París el 15 de diciembre de 1852, miembro de una familia distinguida de estudiosos y científicos. Su padre, Alejandro Edmond Becquerel, era profesor de Física Aplicada y había hecho investigación en radiación solar y en fosforescencia, mientras su abuelo, Antoine César, había sido un miembro de la Sociedad Real y el inventor de un método electrolítico para extraer metales de las minas. Antoine Henri entró en la Escuela Politécnica de París en 1872. Para 1894, era ingeniero en jefe. En 1888 adquirió el grado de doctor en Ciencias. Desde 1878 había tenido un puesto de ayudante en el Museo de Historia Natural, cuando tomó de su padre la cátedra de Física Aplicada del Conservatoire des Artes et Metiers. Fue electo miembro de la Academia de Ciencias de Francia en 1889, y en 1892 se convirtió en profesor de Física Aplicada en la sección de Historia Natural del Museo de París. Los primeros trabajos de Becquerel fueron sobre la polarización plana de la luz, el fenómeno de fosforescencia y la absorción de luz a través de cristales (su tesis doctoral). En 1896, su trabajo anterior fue opacado por su descubrimiento del fenómeno de la radiactividad natural. Estimulado por una discusión con Henri Poincaré sobre la radiación que había sido descubierta recientemente por Röntgen (rayos X) y la ocurrencia de fosforescencia en esos experimentos, Becquerel decidió investigar si había alguna conexión entre los rayos X y el fenómeno de fosforescencia natural.

Había heredado de su padre una cantidad de sales de uranio que fosforecen al ser expuestas a la luz; cuando puso estas sales cerca de una placa fotográfica cubierta con papel opaco, la placa se veló. Luego observó que el fenómeno era común a todas las sales de uranio, y entonces concluyó que era una propiedad del átomo de uranio. Después mostró que los rayos emitidos por el uranio diferían de los rayos X en que podían ser desviados por campos eléctricos o magnéticos.

Por su descubrimiento de la radiactividad espontánea se le otorgó la mitad del Premio Nobel de Física en 1903; la otra mitad correspondió a Pierre y Marie Curie por su estudio de la radiación que Becquerel había descubierto. Murió en Le Croisic el 25 de agosto de 1908.